Entwurf strahloptischer Elemente für MESA und Untersuchung des Einflusses extremer Strahlleistungen auf die Strahlqualität und -diagnose

Abstract

Der Betrieb energierückgewinnender Hochleistungsbeschleuniger - wie dem Mainz Energy-Recovering Accelerator MESA -stellt besondere Anforderungen an das Design grundlegender Beschleunigerkomponenten. Aufgrund erreichbarer Strahlleistungen im MW-Bereich müssen ein nahezu verlustfreier Teilchentransport sowie eine hohe Strahlenresistenz aller an der Strahlführung und -diagnose beteiligten Systeme gewährleistet werden. Wichtige Aspekte der sich daraus ergebenden Problemstellungen werden in dieser Arbeit diskutiert und es werden entsprechende Lösungswege vorgestellt. Der Fokus liegt dabei auf den Themen Magnetdesign und Strahldiagnose sowie der Strahlenresistenz ferromagnetischer Materialien. Das Zusammenführen der vorbeschleunigten mit den rezirkulierenden Elektronen soll an MESA mithilfe eines 5 MeV-Injektionsbogens geschehen. Die Entwicklung der hierzu benötigten Quadrupol-, Umlenk- und Mergermagnete wird unter Rücksichtnahme auf einen achromatischen Strahltransport, kohärenter Synchrotronstrahlung und verhältnismäßig großer Aperturen diskutiert. Zusätzlich werden die Auswirkungen höherer Multipolfelder auf die Strahlqualität untersucht und ein Konzept zur Unterdrückung von Feldfehlern in Korrekturdipolen vorgestellt. Eine weitere Herausforderung stellt die Messung des transversalen Strahlprofils bei hohen Strömen dar. Konventionelle Systeme gestatten insbesondere im niedrigen MeV-Bereich entweder nur geringe Ortsauflösungen oder sind sehr aufwändig und kostspielig. In der Arbeit wird die Entwicklung und der experimentelle Test eines alternativen drahtbasierten Detektorsystems vorgestellt, das in der Lage ist, über einen großen Teil des Leistungsspektrums von MESA Auflösungen im Bereich weniger Mikrometer zu erreichen. Das dritte und letzte Teilgebiet befasst sich mit der Leistungsfähigkeit von Undulatormagneten unter intensiver ionisierender Strahlung. Samarium-Kobalt-Legierungen haben sich bereits in der Vergangenheit als höchst strahlenresistent erwiesen, wurden jedoch noch nicht unter den an ERL-basierten FELs zu erwartenden Bedingungen getestet. Insbesondere eine zukünftige industrielle Anwendung ist nur möglich, wenn der Wartungsaufwand eines FELs nicht entscheidend durch Strahlenschäden an den Undulatoren bedingt ist. Das hierzu für diese Arbeit durchgeführte Kollaborationsexperiment an der 855 MeV-Strahlführung von MAMI betrachtet differenziert die Auswirkungen von Gamma- und Neutronenstrahlung auf Sm2Co17-Magnete sowie auf Kobalt-Eisen-Magnetjoche. Die Messung der magnetischen Feldstärke und Permeabilität mit relativen Auflösungen im Bereich von 1e-4 erlaubt abschließend die Aussage, dass Strahlenschäden an den untersuchten Komponenten für einen Einsatz in FELs vernachlässigt werden können.