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Authors: Stoll, Christian Philipp
Title: Beam dynamical behaviour of the MESA SRF structures under recirculating operation
Online publication date: 26-Oct-2020
Language: english
Abstract: Energy Recovery Linacs (ERLs) are a novel type of electron accelerators which circumvent certain problems with beam quality that arise in circular machines, while also limiting the amount of power needed for acceleration compared to linear accelerators (Linacs). The idea was first proposed by M. Tigner in [1]. In an ERL machine, the electrons are fed from the source into the accelerating cavities and are then used for example in minimally invasive nuclear physics experiments [2] or to drive a radiation source [3]. After the experimental use, the electrons are recirculated back into the cavities with a phase shift of 180° with respect to the accelerating field. This allows the particles to be decelerated in the cavities’ electric field and to feed their kinetic energy back into the cavities. The Mainz Energy-recovering Superconducting Accelerator (MESA) is currently under construction at Johannes Gutenberg University Mainz. For MESA stage 1 operation, a beam current of 1mA will be accelerated four times in two cryomodules up to an energy of 105MeV. 100MeV of beam energy can be recovered, and the beam will be dumped at the injection energy of 5MeV. This leads to a significantly reduced power demand from the wall but requires superconducting cavities operated at 1.8K with high quality factors to maintain the accelerating field in the cavities. For MESA, stage 2 operation with up to 10mA is planned. High-current beams pose significant challenges to beam dynamics, due to, for example, space charge at low energies and transverse Beam Break Up (BBU) caused by dipole Higher Order Modes (HOMs) in the superconducting cavities. The measurement of HOMs in the MESA cavities performed at Helmholtz-Institut Mainz (HIM), their impact on beam dynamics, and the limits of achievable beam currents imposed by BBU are presented in this work.
Energie rückgewinnende Linearbeschleuniger (ERL) sind ein neuartiger Beschleunigertyp, der die Strahlqualitätseinschränkungen von Zirkularbeschleunigern umgeht, aber gleichzeitig den Leistungsaufwand zur Beschleunigung im Vergleich zu Linearbeschleunigern reduziert. Die Idee wurde zuerst von M. Tigner vorgeschlagen [1]. In einem ERL werden die Elektronen von der Quelle in die Beschleunigungsstrukturen geleitet und dann für z.B. minimalinvasive Teilchenphysik-Experimente [2] oder zur Erzeugung brillianter Strahlung genutzt [3]. Nach der Interaktion mit dem Experiment werden die Elektronen erneut mit einem Phasenvorschub von 180° in die Beschleunigungsstrukturen geleitet. Die Teilchen werden dadurch abgebremst und ihre kinetische Energie wird an das elektromagnetische Feld der Beschleunigerstrukturen zurückgegeben. Der Mainz Energy-recovering Superconducting Accelerator (MESA) wird zurzeit an der Johannes Gutenberg-Universität aufgebaut. Für Phase 1 von MESA wird ein Strahlstrom von 1mA viermal in zwei Kryomodulen bis auf eine Energie von 105MeV beschleunigt. 100MeV der Strahlenergie können zurückgewonnen werden und der Strahl wird bei 5MeV gestoppt. Dies führt zu einer signifikanten Einsparung von Anschlussleistung, benötigt aber supraleitende Beschleunigungsstrukturen, die bei 1,8K betrieben werden und hohe Güten aufweisen müssen, um die zur Beschleunigung notwendigen Feldstärken aufrecht zu erhalten. Für die zweite Phase von MESA ist Strahlbetrieb mit bis zu 10mA vorgesehen. Elektronenstrahlen mit hohem Strahlstrom stellen spezielle Anforderungen an die Strahldynamik, unter anderem durch Raumladung bei niedrigen Strahlenergien und durch das so genannte Beam Break Up (BBU), welches durch Dipol-Moden höherer Ordnung (Higher Order Modes (HOMs)) in den Beschleunigungsstrukturen ausgelöst wird. Die Messung der Moden höherer Ordnung, die am Helmholtz-Institut Mainz (HIM) durchgeführt wurde, ihr Einfluss auf die Strahldynamik und die Beschränkungen des maximalen Strahlstroms durch BBU werden in dieser Arbeit vorgestellt.
DDC: 530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-5185
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: CC-BY-NC-ND
Information on rights of use: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
Extent: viii, 87 Seiten
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