Dissertation Kai Dunkel

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MonitoringderlongitudinalenSpeicherringimpedanzvonDELTA,EinussaufBunchlangeundBunchlangenmanipulationKaiDunkelDissertationzur Erlangung des Grades einesDoktors der Naturwissenschaftender Fakultat Physikder Technischen Universitat DortmundJuli 2008Tagderm undlichenPr ufung:22.09.20081.Referent:Prof.Dr.ThomasWeis2.Referent:Prof.Dr.MetinTolanDekan:Prof.Dr.BernhardSpaan(vertretendurchProf.Dr.WernerWeber)VertreterderwissenschaftlichenMitarbeiterinnenundMitarbeiter:Dr.PeterHartmannInhaltsverzeichnis1 EinleitungundMotivation 12 ParametervonSynchrotronstrahlungsquellen 42.1 Brillanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 ElektronendichteundSpitzenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3 FEL-VerstarkungundImpedanz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.4 Lebensdauer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.4.1 Quantumlebensdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.4.2 Restgaslebensdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.4.3 Touschek-Lebensdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.5 FEL-VerstarkungundLebensdauerbeiDELTA . . . . . . . . . . . . . . 102.5.1 VerstarkungvonFELICITAI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.5.2 LebensdauerbeiFEL-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.5.3 LebensdauerbeiBetriebalsSynchrotronstrahlungsquelle . . . . . 123 GrundlagenderlongitudinalenStrahldynamik 143.1 Ein-Cavity-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.2 Zwei-Cavity-System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.3 BunchlangenmanipulationmitharmonischenCavities . . . . . . . . . . . 173.3.1 OptimaleBunchverlangerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.3.2 Bunchverlangerungmitnormalleitendem,passivemCavity. . . . 193.3.3 Bunchverk urzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 LongitudinaleWakefelderundImpedanzen 224.1 GrundlagenderWakefeldberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.2 Normalisierte,eektiveImpedanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.3 ImpedanzderVakuumkammer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.3.1 Raumladungsimpedanz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.3.2 Resistive-Wand-Impedanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.3.3 Breitbandresonator-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.3.4 GeometrischeImpedanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.4 Potentialtopfverzerrung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.5 TurbulenteBunchverlangerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37iii INHALTSVERZEICHNIS5 BerechnungderKopplungsimpedanzvonDELTA 395.1 DerSpeicherringimUrsprungszustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395.1.1 Raumladungsimpedanz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395.1.2 Resistive-Wand-Impedanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405.1.3 GeometrischeImpedanzen:Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . 425.1.4 GeometrischeImpedanzen:Speicherringkomponenten . . . . . . . 465.1.5 GesamtimpedanzvonDELTA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565.2AnderungderImpedanzdurchneueKomponenten . . . . . . . . . . . . 595.2.1 ImpedanzderVakuumkammerdessupraleitendenWigglersSAW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595.2.2 ImpedanzderVakuumkammerdesUndulatorsU55 . . . . . . . . 625.2.3 GeometrischeImpedanzdesDritte-Harmonische-Cavities . . . . . 645.2.4 BerechneteImpedanzentwicklungvonDELTA . . . . . . . . . . . 655.3 Zuk unftigeErweiterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.3.1 ImpedanzvonDELTAmitmehrerenDritte-Harmonische-Cavities 675.3.2 ImpedanzvonDELTAmitzweiDORIS-Cavities. . . . . . . . . . 695.3.3 Auswirkungenvonzuk unftigenEinbautenaufdenFEL-Betrieb . 706 DesignundFertigungdes3.-Harmonische-Cavities 736.1 DesignparameterundKonstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736.1.1 Hochfrequenz-Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736.1.2 OptimierungdergeometrischenImpedanz . . . . . . . . . . . . . 756.1.3 Fertigungszeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766.2 Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 776.2.1 VerwendeteMaterialienundFertigungstechnologien . . . . . . . . 776.2.2 Fertigungsabfolge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 786.2.3 Anbauteile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 786.2.4 Hochfrequenzmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806.3 Diagnose-undKontrollsystem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806.3.1 Abstimmkolbensteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806.3.2 Mess-undDiagnosesystem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 816.3.3 KontrollsystemdesDritte-Harmonische-Cavities . . . . . . . . . . 827 MessungenanDELTA 847.1 MessungvonlongitudinalenProlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 847.1.1 Messaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 847.1.2 Durchf uhrungderMessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 887.1.3 AuswertungderStreak-Kamerabilder . . . . . . . . . . . . . . . . 897.1.4 AuswertungderBunchprolmessung . . . . . . . . . . . . . . . . 917.1.5 AuswertungderBunchlangenmessung. . . . . . . . . . . . . . . . 927.2 ErgebnissederImpedanzmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 947.2.1 AnalysePotentialtopfverzerrungmitBunchprolauswertung . . . 947.2.2 AnalysePotentialtopfverzerrungmitBunchlangenauswertung . . . 96INHALTSVERZEICHNIS iii7.2.3 AnalysederBunchverlangerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 997.2.4 ZusammenfassungundBewertungderImpedanzmessungen. . . . 1017.3 BetriebdesDritte-Harmonische-Cavities . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1028 Zusammenfassung 105AVerwendeteKonstantenundFormelzeichen 107BSynchrotronstrahlungs-Integrale 112CParametervonDELTA 113DImpedanzspektrenderEinzelkomponenten 115Literaturverzeichnis 120Abbildungsverzeichnis 127Tabellenverzeichnis 129iv INHALTSVERZEICHNISKapitel1EinleitungundMotivationDieDortmunder-Elektronenspeicherring-AnlageDELTAanderTechnischenUniversitatDortmundist eineregionale1.5GeV-Synchrotronstrahlungsquelleder drittenGenera-tion. Sie versorgt Nutzergruppen von Universitaten und Forschungsinstituten des LandesNordrhein-WestfalenmitbrillanterSynchrotronstrahlung.Zu diesem Zweck werden an DELTA neben Strahlungslinien an Ablenkmagneten undzwei Undulatoren auch drei Strahlungslinien an einem supraleitenden Wiggler betrieben.Das Energiespektrum der angebotenen Strahlung deckt den Bereich von einigen Elektron-volt bis etwa 30 Kiloelektronvolt ab. Die Anwendungen reichen von Valenzband- und Pho-toelektronenspektroskopie uber winkelaufgeloste Photoelektronenbeugung bis hin zu denAnwendungender Materialwissenschaften(Rontgenbeugung, Rontgenabsorptionsspek-troskopie)undschlieenauchUntersuchungenan ussigenOberachenmitein. Durchdie Nahe zu den regionalen Universitaten ndet an DELTA ein reger Ausbildungsbetriebstatt. StudierendeundjungeWissenschaftlerkonnenfr uhandieBesonderheiteneinerGroforschungsanlageherangef uhrtwerden.NebenderNutzungderSynchrotronstrahlungwirdanDELTAinkleineremUmfangbeschleunigerphysikalische GrundlagenforschungundKomponentenentwicklungbetrie-ben, umdieLeistungsfahigkeitundNutzbarkeitderAnlagestandigzuverbessernundandenStandderEntwicklunganzupassen.HierzugehorenetwadieInstallationundIn-betriebnahmedesweltweiterstensupraleitendenasymmetrischenMultipolwigglers, dieTestseinesimeuropaischenVerbundentwickeltenHohlraumresonatorsundderAufbauundBetriebeinesFreie-Elektronen-Lasers(FEL).DieQualitat heutiger Synchrotronstrahlungsquellenmisst sichander BrillanzderStrahlung.Voraussetzungf ureinehoheBrillanzsindeinhoherStrahlstrom,einekleineEmittanzund damit verbunden ein kleiner Strahlquerschnitt, eine stabile Lage des Strahlsunddie VermeidungvonStrahlinstabilitaten. Dazukommt die ForderungnacheinerlangenLebensdauerdesStrahlsvoneinigenStundenbiszueinigenzehnStunden. F ureinigeAnwendungenisteinemoglichsthoheStrahldichtevonBedeutung, hierzuzahltauchderFreie-Elektronen-Laser.Die Forderung nach einer hohen Dichte der Elektronen im Strahl ist gleichbedeutendmit einer Minimierungdes Einusses der Vakuumkammer undaller dazugehorenden12 KAPITEL1. EINLEITUNGUNDMOTIVATIONEinbautenauf denStrahl. DiesehrintensivenEigenfelderdesStrahlswirken uberdieUmgebungauf denStrahl zur uckundkonnennebendemEinussauf dieStrahldichtegenerell dieQualitatdesStrahlsmindernodergarzumStrahlverlustf uhren. ImHin-blick auf die Entwicklung und den Betrieb des Freie-Elektronen-Lasers an DELTA wurdedaher vonBeginnanWert auf einenimpedanzoptimierten Speicherringgelegt, dasheitdieKopplungsimpedanzderVakuumkammerwurde, soweitmoglich, minimal ge-halten. ZusatzlicheEinbauten, etwaStrahlungserzeugerwieUndulatorenundWiggler,aber auch Hohlraumresonatoren haben einen Einuss auf die Impedanz des SpeicherringsundkonnensichnegativaufdieStrahldichteundeinenFEL-Betriebauswirken.ZurSteigerungderIntensitatderSynchrotronstrahlungbei vorgegebenemmaxima-lemStrahlstromexistierengrundsatzlichzweiKonzepte.ZunachstkannderStrahlstromdurchhaugere Injektionennahezukonstant gehaltenwerden. Diese Moglichkeit sollhiernichtweiterbetrachtetwerden. DiezweiteMoglichkeitbestehtindersignikantenErhohungder Lebensdauer des Strahls. Der Ansatzpunkt bei diesemKonzept ist dieVerlangerungderElektronenpakete(imfolgendenBunche1genannt),verbundenmitei-ner Verkleinerung der Strahldichte. Dies f uhrt zu einer drastischen Reduzierung der StoederElektronenimStrahlunddamitzueinergroerenLebensdauer.Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die theoretischen und technischen Voraussetzungenzu schaen, die Lebensdauer der Elektronen im Speicherring durch zusatzliche EinbautenvonHochfrequenzkomponentenzuerhohenunddamitdenBetriebvonDELTAalsSyn-chrotronstrahlungsquellezuverbessern.WegendesdirektenEinussesdieserEinbautenauf die Impedanz liegen die Schwerpunkte dieser Arbeit auf der numerischen Berechnungund