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Person: Weilbach, Tobias (Autor) 
  
Titel: Minimal-invasive Strahldiagnose für hoch intensive Elektronenstrahlen
  
Dokument:
100002941.pdf (20.035 KB) PDF
Quelle: Mainz : Univ. 121 Seiten
Erscheinungsjahr:    2019
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000029417
  
Dokumentart:
Buch Buch
Weitere Angaben zur Dokumentart:    Dissertation
Sprache: Deutsch
Open Access: OpenAccess
Einrichtungen: Institut für Kernphysik
Helmholtz-Institut Mainz (HIM)
DDC-Sachgruppe:    Physik
ID: 100002941  Universitätsbibliothek Mainz
Hinweis:
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Abstract: Durch die Nutzung der Energierückgewinnung in Beschleunigern, wie z.B. in Energy recovery linacs (ERL) und Elektronenkühlern, können Strahlleistungen erzeugt werden, die bisher ökonomisch nicht erreichbar waren. Dabei werden Leistungen von einigen 10 kW bis zu einigen MW bei Strahlenergien unter 10 MeV erreicht. Ohne Energierückgewinnung müsste dafür eine Hochfrequenzleistung in vergleichbarer Größe installiert sein, was höhere Investitions- und Betriebskosten bedeuten würde.

Diese hochintensiven Elektronenstrahlen stellen, speziell unterhalb von 10 MeV, besondere Anforderungen an die Strahldiagnose. Durch die hohen Strahlleistungen werden Diagnoseelemente, wie z.B. Szintillationsschirme, die in den Strahlengang gefahren werden, um das Strahlprofil zu vermessen, beschädigt bzw. zerstört. Im Rahmen der Energierückgewinnung wirkt sich jeder Verlust von Elektronen auf die Effizienz des Rückgewinnungsprozesses aus, da die Energie dieser Elektronen nicht mehr zurückgewonnen werden kann. Daher sind minimal-invasive Diagnosemethoden notwendig, die auf Prozessen mit einer möglichst kleinen Wechselwirkung mit dem Strahl beruhen.

Diese Arbeit untersucht zwei Methoden der minimal-invasiven Strahldiagnose auf ihre Anwendungsmöglichkeiten für hoch intensive Elektronenstrahlen. Die erste Methode beruht auf der strahlinduzierten Fluoreszenz (Beam-Induced Fluorescence: BIF). Dabei wird das Licht, das durch die Anregung der Restgasatome und -moleküle im Strahlvakuum erzeugt wird, auf einen Detektor abgebildet.

Die zweite Methode beruht auf der Thomson-Streuung. Dabei werden die Photonen eines Lasers am Elektronenstrahl gestreut, gewinnen Energie und werden im Detektor nachgewiesen. Der Laser tastet den Elektronenstrahl ab und erlaubt analog zur Messung mit einem Draht eine Profilmessung, da die Streurate proportional zur Elektronendichte projiziert auf den Laserweg ist. Diese Anwendung wird als Thomson-Laser-Scanner (TLS) bezeichnet. Die Wellenlänge der gestreuten Photonen hängt vom Winkel, unter dem sie den Elektronenstrahl treffen, und von der Energie der Elektronen ab, sowie der Wellenlänge des Lasers selbst.

Für die Experimente wurde die in Mainz existierende Polarisierte KAnone Test (PKAT) um eine Messkammer zur Messung der strahlinduzierten Fluoreszenz (BIF) erweitert. Die Herausforderung dabei war es, das Vakuum im Bereich der BIF-Messung (10e-5 mbar) vom Vakuum der Photoquelle (10e-11 mbar) zu entkoppeln, so dass es zu keiner unakzeptablen Verkürzung der Vakuumlebensdauer der verwendeten Kathoden kommt. Für die TLS-Experimente wurde ein geeignetes Lasersystem erworben, um einerseits den benötigten Strahlstrom von 25 mA zu erzeugen und andererseits die erforderliche mittlere Laserleistung von mindestens 100 W für die Thomson-Streuung zur Verfügung zu stellen. Dabei konnte der Transport des Spitzenstroms von 25 mA gewährleistet werden, wobei der kombinierte Signaluntergrund von Elektronen- und Laserstrahl auf einen Wert <10 Hz begrenzt werden konnte.

Die Bedingungen, unter denen an der PKAT gemessen wurde, sind auf die möglichen Anwendungsgebiete wie z.,B. den Elektronenkühler am Hochenergie-Speicherring (HESR) an der Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) oder ERLs wie den Mainz Energy recovering Superconducting Accelerator (MESA) übertragbar, so dass im Besonderen entscheidende Erkenntnisse über die Signal-zu-Untergrundverhältnisse sowie Messzeiten gewonnen werden konnten. Die vorgestellten Diagnosemethoden sind geeignete Erweiterungen im Bereich der minimal-invasiven Strahldiagnose für hoch intensive Elektronenstrahlen.
   
Weiteres Abstract: Using energy recovering techniques in accelerators, e.g. in ERLs or electron coolers, a new range of beam powers is economically achievable. Beam powers in the order of several 10 kW up to several MW are possible at beam energies below 10 MeV. Without energy recovering methods, the same amount of radio frequency power has to be provided if the losses in the cavities are neglected. With energy recovering schemes, it is possible to achieve these beam powers economically because the needed radio frequency (RF) power is smaller and, thus, so are the investment and operating costs.

Beam profile measurements of high intensity electron beams below 10 MeV have to fulfill special demands. Commonly used diagnostic tools like wire scanners and scintillation screens which are put in the beam path for profile measurements are not able to withstand the beam power without being damaged or destroyed. Due to the energy recovering mechanism, any electron loss reduces the efficiency of the recovering process because the energy of these electrons cannot be recovered anymore. This loss has to be covered by the installed RF power. Hence, minimally invasive diagnostic methods are needed, which rely on processes with interactions as small as possible with the beam and which remove as few electrons as possible from the beam, none in an optimal case. An established method for the beam profile measurement uses synchrotron radiation, but this can only be used at higher beam energies than those considered here.

In this thesis, two different minimally invasive beam diagnostic methods are investigated with respect to their use for high intensity electron beams. The first method uses beam-induced fluorescence (BIF). This quite simple system images the light generated by the interaction of the beam with the residual gas onto a detector.

The second method is based on Thomson scattering where laser photons are scattered at an electron beam, gain energy and are detected. The laser scans the electron beam and enables a profile measurement analogous to a wire measurement, hence the name Thomson Laser Scanner (TLS). The scattering rate is proportional to the projected electron density along the laser path, provided the detector system is capable of detecting all scattered photons. The wavelength of the scattered photons depends on the angle at which the laser hits the electron beam and on the energy of the electrons and the initial laser wavelength.

The existing test source PKAT in Mainz was extended with a vacuum chamber for the BIF measurements. The challenge for the BIF measurements is the separation of the vacuum inside the BIF chamber 10e-5 mbar) from the vacuum in the photo source (10e-11 mbar) to prevent a significant decrease of the cathode's vacuum lifetime. For the TLS experiments a suitable laser system was acquired to provide the needed beam current of 25 mA and the required laser power of at least 100 W for the Thomson scattering experiments. In this process the transport of a peak current of 25 mA could be provided while keeping the combined background of the electron and the Laser beam below 10 Hz.

The measurement conditions at the PKAT are transferable to different fields of application, e.g. the electron cooling device in the High Energy Storage Ring (HESR) at the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) or ERLs like the Mainz Energy recovering Superconducting Accelerator (MESA), thus it is possible to gain knowledge about the signal-to-background ratio and measurement times. The presented methods are viable extensions of the minimally invasive beam diagnostics for high intensity electron beams.
   
  
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