Beschleunigerphysik

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Steady-state solutions of split beams in electron storage rings
(2022-11-01) Jebramcik, Marc Andre; Khan, Shaukat; Helml, Wolfram
Recently, a novel operation method for synchrotron light sources with transversely split beams has been explored to fulfill the rising demand for flexible and high-throughput X-ray sources required in such diverse fields as time-resolved X-ray spectroscopy, molecular chemistry in organic cells, high-resolution medical imaging, quantum materials science or sustainable energy research. Within that novel operation mode, additional stable regions are produced in the horizontal phase space by operating an electron storage ring on a resonance that is driven by the nonlinear sextupole or octupole magnets. In the longitudinal phase space, a similar split can be produced by introducing an oscillation of the synchrotron phase via a modulation of the phase of the radiofrequency resonator. Strong radiation damping in electron storage rings, however, has to be overcome before additional regions in phase space can become populated by particles and form stable islands. This damping mechanism changes the dynamics of the system and causes diffusion between the different islands in phase space, raising the question what kind of equilibrium state exists in the asymptotic temporal limit. In this paper, a finite-differences approximation in rotating action-angle coordinates is used to solve the Vlasov–Fokker–Planck equation and to study the obtained equilibrium states for the longitudinal as well as the transverse case. The number of solution vectors and the magnitude of the corresponding singular values of the matrix of the underlying finite-differences equation are used as abstract indicators to define the required parameter set that provides stable additional beamlets. As a consequence, the beamlets have a stability that is close to that of the main beam in terms of diffusion caused by the radiation damping and quantum excitation.
Orbit correction and response analysis at DELTA
(2022) Kötter, Stephan-Robert; Khan, Shaukat; Jankowiak, Andreas
The DELTA facility is a synchrotron light source located in Dortmund, Germany. Here, the TU Dortmund University operates a 1.5 GeV storage ring supplying radiation ranging from the THz to the hard X-ray regime for experiments in chemistry, biochemistry, solid-state physics and materials science. The ring is equipped with a slow orbit feedback (SOFB) that corrects the transverse orbit position using a set of steerer magnets. The orbit correction software acts as the feedback's controller. Until 2021, the ring used a program based on a customized singular value decomposition (SVD) approach for calculating corrections. Its replacement, which is better integrated into the experimental physics and industrial control system (EPICS) and also capable of two methods of energy correction, was implemented and commissioned to routine operation within the scope of this work. Additionally, the closed-orbit bilinear-exponential analysis (COBEA) algorithm was generalized to accept combinations of orbit response matrix columns, so-called response sets, as input. This enables the new response set t algorithm (RSFA) to extract the coupled beta functions and betatron phase advances as well as the scaled dispersion from orbit corrections. If it is integrated with the SOFB in an online tting approach, the RSFA will supply non-invasive measurements of these optical functions. The new orbit correction software and algorithm are described and evaluated in simulations as well as experimental studies.
The stabilizing influence of radiofrequency phase modulation counteracting coupled-bunch instabilities
(2019) Sommer, Malte; Khan, Shaukat; Jankowiak, Andreas
Synchrotron radiation sources have become an essential part of modern science. The ongoing development to reach higher performance levels with improved quality of synchrotron light demands upgrades of current synchrotron radiation facilities or even construction of new accelerators. During this process, new challenges, both technological and in the accelerator physics, need to be addressed to achieve a higher light quality in terms of brightness, coherence, pulse duration, etc. This includes the suppression of coupled-bunch instabilities. These instabilities are based on the interaction of the accelerated particles with the vacuum chamber surrounding them, especially the accelerating cavities. Beam instabilities can significantly lower the beam quality or even result in particle loss. The development of digital bunch-by-bunch feedback systems in the 1990's made detailed analysis of coupled-bunch instability eigenmodes possible, replacing the former approaches to counteract coupled-bunch instabilities like analog feedback systems or radiofrequency (RF) phase modulation. Since the coupled-bunch effects increase in upcoming storage rings due to, e.g., higher beam currents and smaller vacuum chambers, the suppression of instabilities is once again in the focus of current accelerator research. The scope of this thesis is to use a digital bunch-by-bunch feedback system to analyze and quantify the suppression of longitudinal coupled-bunch instabilities by RF phase modulation. Both options are available at DELTA, a 1.5 GeV electron storage ring operated by the TU Dortmund University.For this purpose, a numerical tracking code was developed. It is capable of analyzing coupled-bunch instabilities in the presence of a modulated RF phase. The numerical results show that the instability growth rates decrease quadratically with the modulation amplitude. In addition, a new method was established to measure the growth and damping rates of coupled-bunch instability modes in the presence of RF phase modulation. The results also show a quadratic dependence on the modulation amplitude. Based on the knowledge and experienced gained throughout this work, studies were performed in order to improve the user operation of the DELTA storage ring. An investigation of the injection process at DELTA showed that the injection efficiency can be increased with the bunch-by-bunch feedback system. In addition, a beam-stability map was created by sweeping the parameters of the RF phase modulation system and the optimal parameters for user operation were found. Thereupon, two new easy-to-use tools were added to the DELTA control system which help to utilize the bunch-by-bunch feedback system during user operation.
Development and application of a universal distributed data acquisition system for orbit feedback applications on electron and hadron synchrotrons
(2017) Schünemann, Gerrit; Weis, Thomas; Klingbeil, Harald
To improve beam quality, the DELTA storage ring (TU Dortmund) conducted a number of orbit-feedback developments in the past, including a successful fast local orbit feedback project. To enable hadron accelerators to benefit from this knowledge, a collaboration was formed between DELTA, the storage ring COSY (Forschungszentrum Jülich) and the SIS18 accelerator (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, Darmstadt). The goals were the development of a global fast orbit feedback system for the DELTA storage ring, the development of a local feedback for the COSY electron beam cooler section and a global feedback for the SIS18 accelerator. This thesis describes the development and application of a universal position measurement system, usable for electron and hadron accelerators and targeted to fast orbit feedback applications, in the framework of this collaboration. The developed distributed system has input capabilities for electron or hadron beam position monitors and output options for feedback tasks and different control system connections. It is connected by a versatile communication structure. The developed common hardware platform is re-programmable and therefore usable as an input device as well as for feedback- or other measurement tasks. It delivers data at a constant data rate of 10 kHz, resulting in a target feedback-rate of up to 1 kHz. It was used to evaluate beam position data globally at DELTA, locally at SIS18 and locally at the COSY beam cooler section. At DELTA, the system forms the basis for a future fast orbit feedback system, which is expected to significantly increase the beam quality for synchrotron radiation based research as well as ongoing electron-beam/laser interaction experiments. The system can also be used as a high precision data source for the slow orbit feedback system in operation. The COSY measurements show the possibility of a local fast orbit feedback system at the storage ring's electron cooler. The data analysis of the SIS18 accelerator suggests the utilization of a feedback system to improve beam quality during ramping. The system's structure is expected to be utilized in a future SIS100 accelerator feedback.
The bilinear-exponential closed-orbit model and its application to storage ring beam diagnostics
(2016) Riemann, Bernard; Weis, Thomas; Jankowiak, Andreas
Im periodischen Fokussiersystem eines Speicherrings wird der Teilchenstrahl auf einen geschlossenen Orbit, d.h. eine sich wiederholende Teilchenbahn durch den Beschleuniger, abgebildet. Störungen dieses geschlossenen Orbits werden durch fehlerhafte Beschleunigerelemente erzeugt und durch spezielle Magnetstrukturen (Korrektoren) kompensiert. Die zur Kompensation erforderliche Diagnose über Strahlpositionsmonitore (BPMs) sowie die ebenfalls notwendige Charakterisierung der Korrektoren über Messung der sog. Responsematrix wird routinemäßig an vielen Speicherringen weltweit durchgeführt. Weiterhin ist die Bewegung der Einzelteilchen um den geschlossenen Orbit (Strahloptik) aus Stabilitätsgründen interessant, konnte jedoch bisher nur mittels zusätzlicher Spezialhardware beobachtet oder näherungsweise durch Simulation mithilfe eines vollständigen magnetischen Modells des Beschleunigers abgeschätzt werden. Es ist bekannt, dass in Responsematrizen ebenfalls aufschlussreiche Informationen über die Einzelteilchenbewegung um die Sollbahn (Strahloptik), wenn auch in verschlüsselter Form, enthalten sind. Da Responsematrizen routinemäßig an vielen Speicherringen aufgenommen werden und keine zusätzliche Hardware erfordern, ist ihre "Entschlüsselung" von besonderem Interesse. In der vorliegenden Arbeit wird ein Algorithmus mit dem Namen COBEA (Closed-Orbit Bilinear-Exponential Analysis) entwickelt, mit dessen Hilfe Responsematrizen in strahloptische Informationen zerlegt werden können. Grundlage dafür ist eine reduzierte und zugleich verallgemeinerte Darstellung der Störungen des geschlossenen Orbits (Bilinear-Exponentielles Modell) in Abhängigkeit von Strahlparametern an Monitor- und Korrektorpositionen. Abschliessend wird COBEA an drei Speicherringen (DELTA, MLS, BESSY II) mit existierenden Methoden, welche alle entweder zusätzliche Hardware oder zusätzliche Annahmen erfordern, verglichen und erfolgreich validiert. COBEA kann somit an vielen Speicherringen weltweit eingesetzt werden.
Entwicklung eines TM110-HF-Deflektors zur longitudinal aufgelösten transversalen Strahldiagnose von Pikosekunden-Elektronenbunchen im MeV-Bereich
(2015) Ferrarotto, Alessandro Vincente; Weis, Thomas; Westphal, Carsten
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer neuartigen Hochfrequenzkomponente für Teilchenbeschleuniger zur longitudinal aufgelösten Bestimmung der transversalen Eigenschaften des Phasenraums von Teilchenpaketen. Die Motivation dieser Arbeit liegt in der Notwendigkeit der Entwicklung von Diagnosemöglichkeiten für neuartige Hochstrom- Kurzpuls- und Hochbrillanzteilchenquellen wie sie in den aktuellen und kommenden Teilchenbeschleunigergenerationen verwendet werden sollen. Hierzu gibt die vorliegende Arbeit zunächst einen kurzen Überblick über den Formalismus zur Beschreibung von Teilchenpaketen in Phasenräumen und erläutert darauf aufbauend Verfahren um diese Phasenräume zu vermessen. Um diese Verfahren longitudinal aufgelöst durchführen zu können ist es erforderlich die Teilchenpakete in elektromagentischen Hochfrequenzfeldern transversal abzulenken. Die Erzeugung der hier für nötigen Hochfrequenzfelder findet in Hohlraumresonatoren statt. Die vorliegende Arbeit beschreibt ausführlich die Entwicklung eines neuartigen Hohlraumresonators welcher es ermöglicht die Verfahren zur longitudinal aufgelösten Bestimmung der transversalen Eigenschaften des Phasenraums von Teilchenpaketen zu vereinfachen und zu verbessern.
Generation and detection schemes for laser-induced coherent terahertz radiation at the electron storage ring DELTA
(2015) Ungelenk, Peter; Khan, Shaukat; Müller, Anke-Susanne
At DELTA, a 1.5-GeV electron storage ring operated as a synchrotron light source by the TU Dortmund University, a short-pulse facility for vacuum-ultraviolet and terahertz (THz) radiation was established in 2011. Here, a laser-induced modulation of the electron energy followed by energy-dependent path length differences in the magnetic lattice leads to the formation of a sub-picosecond electron density modulation. In a subsequent bending magnet, ultrashort coherent radiation pulses in the THz regime are emitted, which are extracted by a dedicated THz beamline and are detected by a hot-electron bolometer with a response time in the microsecond regime. Within the scope of this thesis, the evacuated THz beamline at DELTA was optimized and extended. A Fourier transform infrared spectrometer and ultrafast detectors with response times in the picosecond regime were installed, which allowed studying the spectrum of the laser-induced THz radiation as well as the temporal evolution of the density modulation over several revolutions after the initial laser-electron interaction. The laser-electron interaction, the formation of the density modulation, and the generation of the THz radiation were modeled in detail. The simulation results are in good agreement with the experimental findings and enable a deeper understanding of the underlying physics. Characterization measurements of the laser-induced THz radiation intensity and spectrum confirmed theoretical expectations and numerical results. Based on a variation of laser and storage ring parameters and of the longitudinal and transverse laserelectron overlap, optimized parameters and improvements for the operation of the DELTA short-pulse facility are presented. By scanning the delay between laser pulse and electron bunch, the longitudinal bunch profile was studied, while a Fourier transform of the THz spectra was used to determine the profile of the laser-induced density modulation. Results from turn-by-turn resolved measurements give insight into the longitudinal beam dynamics. In cooperation with a group from the University Lille 1, France, narrow-band THz pulses were generated based on the so-called chirped-pulse beating technique, which extended previous results from the UVSOR storage ring in Japan from the sub-THz range to frequencies up to 5.5 THz.
Investigation of transient processes at the DELTA electron storage ring using a digital bunch-by-bunch feedback system
(2015) Höner, Markus; Khan, Shaukat; Tolan, Metin
An der 1.5-GeV Synchrotronstrahlungsquelle DELTA, betrieben von der Technischen Universität Dortmund, wird intensive Synchrotronstrahlung im Spektralbereich von harter Röntgenstrahlung bis zur THz-Strahlung durch die Kreisbeschleunigung hochrelativistischer Elektronenpakete erzeugt. Die Elektronenpakete erzeugen durch die Wechselwirkung mit der Vakuumkammerwand elektromagnetische Felder, die auf nachfolgende Pakete zurückwirken können. Mit wachsendem Strahlstrom verstärkt sich diese Wechselwirkung, sodass der Elektronenstrahl instabil wird, d.h., dass alle Elektronenpakete anfangen um ihre Sollposition longitudinal oder transversal zu schwingen. Diese Oszillationen reduzieren zum Einen die Qualität der emittierten Synchrotronstrahlung und zum Anderen wird durch die Schwingungen der Maximalstrom begrenzt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Strahlinstabilitäten am Elektronenspeicherring DELTA systematisch untersucht. Es wurde ein digitales Regelsystem installiert und in Betrieb genommen, welches in der Lage ist, die Position jedes Elektronenpakets bei jedem Umlauf zu detektieren und zu digitalisieren. Auf Grundlage des Eingangssignals kann ein Korrektursignal berechnet werden, um sowohl transversale als auch longitudinale Schwingungen jedes Paketes zu unterdrücken. Darüber hinaus ist es möglich, gezielt einzelne Pakete zu Schwingungen anzuregen. Die systematische Anregung aller Schwingungsmoden des Elektronenstrahls erlaubte es im Rahmen dieser Arbeit erstmalig, die Dämpfungszeiten aller 192 Eigenmoden des Elektronenstrahls zu bestimmen. Die Stromabhängigkeit der Dämpfungsraten wurde untersucht, und eine Instabilitätsschwelle für die longitudinale Oszillation gefunden. Neben der Untersuchung von Strahlinstabilitäten mit mehreren Elektronenpaketen wurde das Verhalten eines einzelnen Elektronenpakets im Speicherring untersucht. Die Datennahme des digitalen Regelsystems kann auf externe Ereignisse getriggert werden, was dazu verwendet wurde, den Injektionsprozess und das Auftreten von Strahlverlusten zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass eine transversale Dämpfung des Strahls mit Hilfe des Regelsystems eine Vergrößerung der Injektionseffizienz bewirkt. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit ist die Verbesserung der Signalqualität kohärenter Synchrotronstrahlung, die im Rahmen der DELTA Kurzpulsquelle erzeugt wird. Die Kurzpulsquelle basiert auf dem Coherent Harmonic Generation Prinzip (CHG), bei dem durch die Wechselwirkung von Femtosekunden-Laserpulsen mit den Elektronenpaketen kohärente Synchrotronstrahlung im VUV-Spektralbereich erzeugt wird. Es konnte gezeigt werden, dass sich im Hybrid-modus die Signalintensität durch das longitudinale Regelsystem vergrößern lässt.
Lebensdauerverbesserung und Strahlstabilisierung durch longitudinale Phasenmodulation am Elektronenspeicherring Delta
(2014-06) Fürsch, Jonathan; Weis, Thomas; Tolan, Metin
Strahlwechselwirkung eines gepulsten, nichtlinearen in-Vakuum Injektionsmagneten
(2013-12-13) Rast, Helge; Weis, Thomas; Westphal, Carsten
Untersuchungen zur Profilmessung von Hadronenstrahlen mittels Restgaslumineszenz und -ionisation
(2011-03-28) Böhme, Christian Gerhard Heinrich; Weis, Thomas; Dietrich, Jürgen
Iterativer Algorithmus zur strahlbasierten Vermessung und Korrektur von Magnetfehlaufstellungen am Speichering Delta auf Basis eines erweiterten Modells der Strahloptik
(2009-11-09T11:34:46Z) Kopitetzki, Olaf; Wille, Klaus; Spaan, Bernhard
Optimierung und Charakterisierung des Free Electron Lasers am Speicherring DELTA
(2009-05-12T11:56:36Z) Huck, Holger; Wille, Klaus; Tolan, Metin
Free Electron Laser erzeugen hochbrillante, ultrakurze Laserpulse variabler Wellenlänge und kombinieren somit die Vorteile von Synchrotronstrahlung und Laser. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der FEL-Oszillator am Speicherring DELTA hinsichtlich Geschwindigkeit und Reproduzierbarkeit der gesamten Justageprozedur optimiert, um einen stabilen FEL-Betrieb für beschleunigerphysikalische Experimente zu etablieren. Damit war erstmalig die Messung und Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Gain, Ausgangsleistung und Pulsstruktur des Lasers, und des Strahlstroms, der Energiebreite und der longitudinalen Dynamik des Elektronenstrahls bei DELTA möglich. Zu diesem Zweck wurden neue Spiegelkammern und Spiegelsteuerungen für den optischen Resonator konstruiert. Der FEL konnte erfolgreich wieder in Betrieb genommen werden, so dass im zweiten Teil dieser Arbeit eine weitreichende Charakterisierung der erzeugten Laserstrahlung im sichtbaren Bereich erfolgte. Lasing wurde mit unterschiedlichen Füllstrukturen im Speicherring und unterschiedlichen Laserpulsstrukturen erzielt. Mithilfe des optischen Klystrons wurde die Energiebreite des Elektronenstrahls direkt, unabhängig von der Bunchlänge gemessen. Der Gain und die Leistung des FELs wurden gemessen und mit den theoretischen Modellen, insbesondere dem Low-Gain-Modell und dem Renieri-Limit, verglichen. Hierdurch konnte gezeigt werden, dass das Einsetzen des FEL-Prozesses eine dämpfende Wirkung auf die Energiebreite des Elektronenstrahls hat; die turbulente Bunchverlängerung wird ganz oder zum Teil außer Kraft gesetzt.
Monitoring der longitudinalen Speicherringimpedanz von DELTA, Einfluss auf Bunchlänge und Bunchlängenmanipulation
(2008-10-27T11:34:11Z) Dunkel, Kai; Weis, Thomas; Tolan, Metin
In der vorliegenden Arbeit werden die theoretischen und technischen Voraussetzungen geschaffen, die Lebensdauer der Elektronen im Speicherring von der Synchrotronstrahlungsquelle DELTA durch zusätzliche Einbauten von Hochfrequenzkomponenten zu erhöhen. Wegen des direkten Einflusses dieser Einbauten auf die Impedanz des Speicherrings liegen die Schwerpunkte dieser Arbeit auf der numerischen Berechnung und der messtechnischen Erfassung der longitudinalen Kopplungsimpedanz des Speicherrings von DELTA sowie auf der Entwicklung, Fertigung und Test eines passiven 1.5GHz-Cavities zur Erzeugung einer höherharmonischen Beschleunigungsspannung zur Manipulation der Elektronenpaketlänge. In this thesis the theoretical and technical bases are developed for increasing the lifetime of an electron beam in the storage ring of the synchrotron light source DELTA. This can be realized by installation of additional RF components. Because of the direct influence of these installations on the impedance of the storage ring the main task of this thesis is the numeric calculation and the measurement of the longitudinal coupling impedance of the storage ring of DELTA. The thesis also describes the development, manufacturing and test of a passive 1.5GHz-Cavity generating a higher-harmonic accelerating voltage for the manipulation of the bunch length.
Untersuchung der Wechselwirkung intensiver Elektronenstrahlen mit höheren Resonatormoden an Delta
(2006-10-10T13:26:08Z) Heine, Robert Gerd; Weis, T.; Dietrich, J.
In einem Elektronenbeschleuniger werden Hochfrequenz-Hohlraumresonatoren zur Beschleunigung der Elektronen und zum Ausgleich des Energieverlustes der Elektronen durch Abstrahlung von Synchrotronstrahlung verwendet. Die höheren Moden dieser Resonatoren können den Elektronenstrahl zu unerwünschten kollektiven Oszillationen (Coupled-Bunch Moden) anregen und ihn so in eine Instabilität treiben. In dieser Arbeit wird der Einfluss verschiedener zur Beschleunigung von Elektronen verwendeter Hohlraumresonatoren auf das Stabilitätsverhalten des Teilchenstrahl im Speicherring Delta untersucht. Die Experimente fanden bei verschiedenen Teilchenenergien und Strahlströmen des Beschleunigers mit zwei unterschiedlichen in den Beschleuniger eingebauten Resonatoren statt, wobei der Teilchenstrahl auf durch höhere Resonatormoden induzierte Strahloszillation vermessen wurde. Weiterhin wurde der Einfluss der Füllstruktur des Strahls auf das Anregungsspektrum der Coupled-Bunch Moden untersucht. Zusammenhänge der gemessenen Spektren sowohl mit Resonatormoden, als auch mit der Füllstruktur konnten nachgewiesen werden.
SVD-basierte Orbitkorrektur am Speicherring Delta
(Universität Dortmund, 2005-03-22) Grewe, Marc; Wille, K.; Keiter, H.
Es wird die Umsetzung einer SVD-basierten Orbitkorrektur am Elektronenspeicherring Delta des Fachbereichs Physik an der Universität Dortmund beschrieben. Nach einer Einführung in alle für die Strahllage bedeutsamen Komponenten wird das Konzept der gewichteten, SVD-basierten Strahllagekorrektur vorgestellt, welches es erlaubt, die mathematisch bestmögliche Orbitkorrektur unter Berücksichtigung physikalischer Korrektorlimitationen zu bestimmen. Es wird gezeigt, wie die erarbeiteten Konzepte auf die Einschränkung beliebiger linearer Randbedingungen erweitert werden können. Als Beispiel dient die Umsetzung lokaler Orbitbeulen unter automatischer Bestimmung der dazu zu verwendenden Korrektorelemente. Durch den Anschluss an das bestehende Agentensystem wird es externen Programmen ermöglicht, auf den Funktionsumfang der Orbitkorrektur zuzugreifen. Dies ist sowohl für lokale Orbitbeulen aber auch für ein 'feed-forward' auf eine im Voraus abschätzbare, plötzliche Strahllageänderung umgesetzt worden. Zu den Ergebnissen dieser Arbeit zählt die erfolgreiche Stabilisierung der Strahllage an ausgewählten Strahllagemonitoren und eine Reproduzierbarkeit der daraus resultierenden Korrektoreinstellungen, die es erlauben, den Prozess der Elektroneninjektion in den Speicherring deutlich über einen Zeitraum von Wochen zu stabilisieren.
Entwicklung und Einsatz eines intelligenten Agentensystems zur Optimierung der Injektion in den Speicherring der Synchrotronstrahlungsquelle DELTA
(Universität Dortmund, 2004-06-09) Zimoch, Elke; Wille, Klaus; Westphal, Carsten
Die Injektion in den Speicherring ist eine wichtige Phase im Betrieb einer Synchrotronstrahlungsquelle. Bei DELTA, einer Synchrotronstrahlungsquelle der dritten Generation, ist eine Automatisierung der Optimierung des Ladungstransfers notwendig, um die Zeit für diese Injektionsphase zu minimieren. Eine exemplarische Untersuchung der vorhandenen Mess- und Korrekturmöglichkeiten im Transferkanal T2 im Rahmen dieser Arbeit zeigte Probleme bei der theoretischen Modellierung auf. Um eine Automatisierung der Injektionsoptimierung zu realisieren, wurde daher auf die Methodik der wissensbasierten Systeme aus dem Fachgebiet der künstlichen Intelligenz zurück gegriffen. Das Ergebnis ist ein kooperierendes Agentensystem, in das ein Expertensystem zur Injektionsoptimierung eingebettet ist. So konnte die Optimierung der Transfereffizienz automatisiert werden, ohne den Betrieb der Beschleunigeranlage zu beeinträchtigen. Der erfolgreiche Einsatz des Agentensystems und speziell des T2-Experten zeigt, dass es möglich und sinnvoll ist, Methoden der künstlichen Intelligenz zur Automatisierung physikalischer Anwendungen einzusetzen.
Untersuchung und Verbesserung des Stabilitätsverhaltens eines intensiven elektronengekühlten Teilchenstrahles in COSY
(Universität Dortmund, 2004-04-01) Kamerdzhiev, Vsevolod; Dietrich, J.; Weis, T.
The cooler synchrotron COSY provides proton and deuteron beams in the energy range of 45 MeV - 2,7 GeV and 75 MeV - 2,2 GeV, respectively, for precision experiments in medium energy physics. High beam quality is achieved by means of electron and stochastic cooling. Electron cooling is applied right after injection. However, in case of intense electron cooled proton (deuteron) beams fast particle losses due to transverse coherent beam oscillations are regularly observed. Unstable behaviour of the intense COSY beam, in particular of the electron cooled one, is investigated. The transverse stability is discussed in terms of transverse coupling impedances. Tune shifts due to high phase space densities are calculated. Possible cures of instabilities are analysed. Active damping of instabilities using a transverse feedback system is considered to be a suitable method to improve beam intensity and quality. A transverse damping system utilizing a pick-up, signal processing electronics, a power amplifier and a stripline deflector was designed, installed and successfully commissioned. Beam current, profile and Schottky spectra measurements with the feedback system turned on and off are presented. The feedback system allows to increase the cooled beam intensity by at least a factor of four when cooling and stacking of repeated injections is applied. Such a procedure is especially useful to increase the luminosity in internal experiments with the polarized beam which has a low injection intensity. For the experiments with unpolarized beams the significant increase of luminosity can be achieved without a decrease of the machine s duty factor. External experiments profit from the small diameter beams and the reduced halo.
Konzeption, Aufbau und Test eines Elektronenlinearbeschleunigers für eine Synchrotronstrahlungsquelle der 3. Generation
(Universität Dortmund, 2004-03-04) Piel, Christian; Weis, T.; Husmann, D.
Eine Synchrotronstrahlungsquelle der 3. Generation besteht heute aus mehreren Beschleunigeranlagen. Zentraler Bestandteil ist zunächst der Speicherring, in dem der hochenergetische und intensive Elektronenstrahl über Stunden gespeichert wird und an dem die eigentliche Nutzung der Strahlung stattfindet. Vorbeschleuniger oder Injektoren erzeugen die zur Füllung des Speicherrings benötigten kurzen (ns - ms) Elektronenpulse. Die Vorbeschleuniger müssen an die Gegebenheiten des Speicherrings angepasst sein. Demzufolge werden sehr hohe Anforderungen an die Strahlintensität und Strahlqualität, sowie an die Zeitstruktur des Elektronenstrahls bereits im Injektor gefordert.Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein 100MeV-Elektronenlinearbeschleuniger, als optimierter Injektor für eine Synchrotronstrahlungsquelle der 3. Generation ausgelegt, umgesetzt, aufgebaut und erfolgreich an der Swiss Light Source (SLS) in Betrieb genommen.
A Unified Distributed DSP-Based Beam Diagnostics and Global Feedback System for Ramped Electron Storage Rings
(Universität Dortmund, 2003-06-02) Keil, Boris; Wille, Klaus; Tolan, Metin
In dieser Arbeit wurde ein verteiltes DSP-basiertes Feedbacksystem zur Echtzeitregelung von Strahlparametern wie Arbeitspunkt und globalem Orbit an gerampten Elektronenspeicherringen entwickelt. Darauf basierend wurde an Bodo, dem gerampten Full-Energy Booster der 1.5 GeV Synchrotronstrahlungsquelle Delta, ein Arbeitspunktfeedback aufgebaut, charakterisiert und erfolgreich in Betrieb genommen, das den transversalen Arbeitspunkt von Bodo waehrend beliebiger Energierampen in Echtzeit korrigiert. Weiterhin wurde mit dem DSP-System ein globales Orbitfeedbackaufgebaut, charakterisiert und erfolgreich kommissioniert, das den Orbit von Bodo mit einer Rate von 4 kHz mit Hilfe derSVD-Methode global korrigiert. Durch die Integration weitererMonitore zur Messung von Strahlverlusten, Strahlstrom, Lebensdauer und Netzgeraetstroemen sowie -spannungen in das DSP-System von Bodo wurde die Moeglichkeit demonstriert, mitdem entwickelten DSP-System 'interdisziplinaere' globale Feedbacks zu implementieren, die verschiedene Eigenschaftendes Elektronenstrahls in Boostern und Speicherringen unter Beruecksichtigung einer Vielzahl verschiedenartiger Monitore in Echtzeit optimieren koennen. Das generische Gesamtkonzeptdes entwickelten Systems erlaubt den zukuenftigen Einsatz an Delta oder an anderen Synchrotronstrahlungsquellen mit nur geringem Anpassungsaufwand bei Hardware und Software. Neben der Entwicklung einer Multiprozessor-VMEbus-DSP-Karte, eines neuartigen FPGA-basierten LWL-Multiprozessor-Netzwerks ('DeltaNet') zum globalen Echtzeit-Messdatentransfer (globales reflektives internes DSP-RAM), des BPM-Datenerfassungssystems sowie weiten Teilen des DSP-/DDS-basierten Arbeitspunktmesssystems wurden in der Arbeit auch die gesamten DSP Software, die Treiber zur Integration in das EPICS-Kontrollsystem sowie die graphischenBenutzeroberflaechen entwickelt. Durch die Entwicklung einerBodo-Strahloptik mit reduzierter Emittanz sowie DSP-basierterAnalyse und Optimierung der Strahlparameter von Bodo waehrendder Energierampe konnte die Fuellzeit des Speicherrings Deltaerheblich reduziert werden.

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