Investigation of transient processes at the DELTA electron storage ring using a digital bunch-by-bunch feedback system

Abstract

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.

At the 1.5-GeV synchrotron radiation source DELTA, operated by the TU Dortmund University, intensive synchrotron radiation in the spectral range from hard X-rays to THz radiation is generated by the circular deflection of highly relativistic electron bunches. Interacting with the vacuum chamber wall, the electron bunches create electric fields, which can act back on subsequent bunches. With increasing beam current, the excitation is enhanced so that the electron beam is unstable, which means that the electron bunches oscillate longitudinally or transversely relative to their reference position. The oscillations reduce the quality of the synchrotron radiation and limit the maximum storable beam current. Within the scope of this thesis, the beam instabilities at the storage ring were systematically investigated. A digital bunch-by-bunch feedback system was installed and commissioned, which allows to detect and digitize the position of each electron bunch at each turn. Based on the input signal, a correction signal is calculated in order to suppress transverse and longitudinal oscillation of the bunches. In addition, it is possible to excite dedicated bunches. The systematic excitation of all coupled-bunch modes allowed for the first time to determine the damping rates of all 192 eigenmodes of the electron beam. The current dependence of the damping rates was investigated and an instability threshold was found. Besides the investigation of multibunch instabilities, single-bunch instabilities are discussed. In addition, the acquisition unit of the digital feedback system can be triggered on external events. This was used to investigate the injection process and beam losses. It was shown that the transverse feedback system increases the injection efficiency. Another aspect of this thesis is the improvement of the signal quality of ultrashort coherent synchrotron radiation pulses, which are generated by the short-pulse facility at DELTA. The short-pulse facility is based on coherent harmonic generation (CHG), in which an interaction of femtosecond laser pulses with electron bunches creates coherent synchrotron radiation in the VUV regime. It was shown that in hybrid mode the signal intensity can be increased by the use of the longitudinal feedback system.