Strahldynamik der Niederenergie-Strahlführung von MESA unter Berücksichtigung von Raumladung und Multipol-Beiträgen höherer Ordnung
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Auf der Suche nach neuen physikalischen Phänomenen in der Teilchenphysik und einer Erklärung astrophysikalischer Beobachtungen sind Experimente mit immer höherer Präzision und/oder Energie nötig. Damit bei hochpräzisen Streuexperimenten mithilfe von Beschleunigern innerhalb einer angemessenen Zeit die Messgrößen mit einem kleinen statistischen Fehler gemessen werden können, sind deutlich höhere Strahlintensitäten notwendig, als sich mit einem konventionellen Linearbeschleuniger erzielen lassen. Im Fall des geplanten Beschleunigers MESA in Mainz werden Ströme bis zu 10 mA angestrebt. Um die hohe Strahlleistung bereitzustellen und auch thermisch zu beherrschen, wird der Strahl nach dem Durchlauf des Experiments erneut durch die Beschleunigerstrukturen gelenkt, die dann abbremsend wirken, und der Großteil der Leistung so zurückgewonnen. Dieses Konzept des energierückgewinnenden Linearbeschleunigers (ERL) kann auch für eine neue Generation von Synchrotronstrahlungsquellen zur Material- und Grundlagenforschung eingesetzt werden. Die Qualität des Strahls, beschrieben durch die Emittanzen, ist im Wesentlichen durch die Elektronenquelle bestimmt. Deshalb gestaltet sich ein ERL auch deutlich flexibler als ein Speicherring, wo die Emittanz durch das Gleichgewicht zwischen Strahlungsdämpfung und diversen Heizeffekten festgelegt ist. Für eine gute Strahlqualität des geplanten ERL ist eine sorgfältige Auslegung der Elektronenquelle und der Niederenergiestrahlführung wichtig. Diese Arbeit umfasst die Auswahl der Strahlführungsmagnete, deren Simulation und Vermessung. Dasselbe trifft auf das für die longitudinale Strahlanpassung wichtige Choppersystem zu. Darüber hinaus wurde die gesamte Teststrahlführung simuliert und in Zusammenarbeit aufgebaut. Um Strahlen mit sehr kleiner Emittanz zu Kalibrierzwecken zu erzeugen, wurde ein neues Lasersystem installiert. Normierte Emittanzen epsilon < 1 mm mrad sollen am Experiment zur Verfügung stehen. In Kombination mit den hohen Strahlströmen kommt es zu hohen Ladungsdichten und somit starken Raumladungskräften. Diese nicht linearen Kräfte führen zu einer ungewollten Vergrößerung der Emittanzen. Aufgrund der 1/\gamma^3-Abhängigkeit sind diese Effekte besonders in der Niederenergiestrahlführung zu beachten. Die raumladungsbedingte Vergrößerung der Emittanzen wurde mithilfe der Simulationen der Strahlführung bestimmt und mit dem Experiment verglichen. Hinzu kommt das Emittanzwachstum durch ungewollte Multipolfelder. Deren Anteil kann mit Simulationen der modellierten Magnete bestimmt werden. Mit geeigneter Diagnose wurden an mehreren Orten entlang der Teststrahlführung die transversalen Strahleigenschaften bestimmt und anschließend mit den Ergebnissen der Simulationen verglichen. Somit konnte der starke Einfluss der Multipole nachgewiesen werden.