Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-5808
Authors: Ledroit, Ben
Title: Target Induced Halo Formation and Collimation Following MAGIX at MESA
Online publication date: 28-Apr-2021
Language: english
Abstract: The Mainz Energy-recovering Superconducting Accelerator (MESA) is a recirculating electron linear accelerator (Linac), that is currently under construction in the Institute for Nuclear Physics at the Johannes Gutenberg-University Mainz. MESA will be able to operate in energy recovery linac (ERL) mode, in which the energy of the accelerated beam is recovered through subsequent deceleration. This technique enables reaching high beam powers and therefore high luminosities available for experiments with considerably less installed amplifier power compared to conventional Linacs. The Mainz Gas Internal Target Experiment (MAGIX) takes advantage of the MESA beam currents of initially up to 1 mA at 105 MeV beam energy available in ERL mode to realize a variety of nuclear physics experiments. These experiments aim for a luminosity of minimum 10^35 cm^-2 s^-1. The ERL mode requires recirculation of the accelerated beam through the accelerator after passing the target and degradation of the beam through the beam-target interaction must be limited to ensure proper beam transport for energy recovery. The beam degradation at MAGIX is governed by scattering of beam electrons on the target, which leads to beam halo formation after the target and induces beam losses in following accelerator sections. Collimators are needed in sections downstream of MAGIX to intercept the beam halo in order to control beam losses and the lost beam power leads to a reduction of ERL efficiency as well as radioactive activation of exposed equipment. The target induced beam degradation consequently limits the practically achievable luminosity at the experiment. The formation of the halo and the behavior of subsequently occurring beam losses for the envisaged MAGIX experiments at MESA are studied in simulations in this thesis. A suitable collimation system is presented in the following and the resulting activation of accelerator equipment is examined to estimate a luminosity limit for MAGIX operation in MESA ERL mode. The presented results show that the operation of hydrogen and helium targets at the aimed at luminosity is possible, whereas a restriction of luminosity is required for heavier target gases.
Der Mainz Energy-recovering Superconducting Accelerator (MESA) ist ein rezirkulierender Elektronen-Linearbeschleuniger (Linac), der sich derzeit am Institut für Kernphysik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz im Bau befindet. MESA wird in der Lage sein, im Energy Recovery Linac (ERL) Modus zu arbeiten, in dem die Energie des beschleunigten Strahls durch anschließende Entschleunigung zurückgewonnen wird. Diese Technik ermöglicht das Erreichen von hohen Strahlleistungen und damit verbundenen hohen Luminositäten, die für Experimente zur Verfügung stehen, bei bedeutend kleinerer installierter Verstärkerleistung im Vergleich zu konventionellen Linacs. Das Mainz Gas Internal Experiment (MAGIX) nutzt die MESA Strahlströme von anfangs 1 mA bei 105 MeV Strahlenergie im ERL Modus, um eine Vielzahl von kernphysikalischen Experimenten mit Gas-Jet Targets zu realisieren. Für diese Experimente wird eine Luminosität von mindestens 10^35 cm^-2 s^-1 angestrebt. Der ERL Modus setzt eine Rezirkulation des beschleunigten Strahls durch den Beschleuniger nach Passieren des Targets voraus und die Degradierung des Strahls durch die Strahl-Target-Wechselwirkung muss begrenzt werden, um den ordungsgemäßen Strahltransport für die Energierückgewinnung zu gewährleisten. Die Strahldegradierung an MAGIX ist bestimmt durch die Streuung von Strahlelektronen am Target, was zu der Bildung eines Strahlhalos nach dem Target führt und Strahlverluste in nachfolgenden Beschleunigersektionen verursacht. Kollimatoren werden in den Sektionen nach MAGIX benötigt, um den Strahlhalo abzufangen damit Strahlverluste kontrolliert werden, und die verlorene Strahlleistung führt zu einer Reduzierung der Energierückgewinnungseffizienz sowie radioaktiver Aktivierung von bestrahltem Gerät. Die targetinduzierte Strahldegradierung limitiert folglich die praktisch erreichbare Luminosität am Experiment. Die Bildung des Halos und das Verhalten der nachfolgend auftretenden Strahlverluste für die angestrebten MAGIX-Experimente an MESA werden in Simulationen in dieser Arbeit studiert. Anschließend wird ein geeignetes Kollimationssystem präsentiert und die resultierende Aktivierung der Beschleunigerausstattung untersucht, um ein Luminositätslimit für den Betrieb von MAGIX im MESA ERL Modus abzuschätzen. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass der Betrieb von Wasserstoff- und Helium-Targets Targets bei der angestrebten Luminosität an MESA möglich ist, wohingegen eine Beschränkung der Luminosität für schwerere Targetgase benötigt wird.
DDC: 530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-5808
URN: urn:nbn:de:hebis:77-openscience-c6482b6b-1b80-4556-a8d1-1b18f06312914
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: CC BY-SA
Information on rights of use: https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
Extent: 94 Seiten, 77 Abbildungen, 55 Tabellen
Appears in collections:JGU-Publikationen

Files in This Item:
  File Description SizeFormat
Thumbnail
ledroit_ben-target_induced-20210422114847950.pdf26.43 MBAdobe PDFView/Open