Messverfahren für Teilchenstrahlen und Strahlbeobachtung

1. Messverfahren für Teilchenstrahlen und Strahlbeobachtung • Strahlparameter • Strahlstrom - Anzahl der Teilchen – (DC and AC / Teilchenpakete) • Strahlposition, horizontal und vertikal • Verteilung in 3 Dimensionen • Strahlgrösse (Emittanz) transversal • Strahlgrösse (Emittanz) longitudinal • Teilchenenergie • Polarisation • Luminosität • Abgeleitete Parameter • Q-Wert in drei Dimensionen - Qx, Qz und Qs • „Closed orbit“ • Chromatizität • Kopplung • Optischen Funktionen (, , Dispersion) • Messung der Impedanz

2. Operation und Strahldiagnostik • Die Instrumente für Strahlbeobachtung dienen dem Operator dazu, den Beschleuniger zu betreiben. Dazu gehört: • Einfahren des Beschleunigers • Optimierung der Strahlqualität bezüglich den Anforderungen der Benutzer (hohe Luminosität, hoher Strahlstrom, präzise Strahllage, .....) • Die eingesetzten Monitore sind für jeden Beschleuniger unterschiedlich, allerdings gibt es Monitortypen, die in den meisten Beschleunigern zu finden sind • Die Kopplung zwischen Strahldiagnose und Strahlmanipulation über das Kontrollsystem ist von erheblicher Bedeutung. • Elemente, die die Strahlparameter beeinflussen sind z.B. die Ströme in allen Magneten, die Parameter der Beschleunigungscavities. Für den LHC sind etwa 1800 (!) verschiedene Stromkreise zu optimieren. • Ein erfolgreicher Betrieb eines Teilchenbeschleunigers hängt wesentlich von der Qualität der Strahldiagnostik ab.

3. Übersicht von einigen Messinstrumenten zur Strahldiagnose

4. Zeitstruktur - Longitudinale Strahlparameter • In den meisten Beschleuniger laufen die Teilchen in Paketen (Paket= bunch) um. • Parameter: • Anzahl der Pakete • Anzahl der Teilchen in einem Paket • Verteilung der Teilchen im Paket (gaussförmig, parabelförmig, …) • Schwingung des Pakets bezüglich der Umlauffrequenz • Schwingung der Teilchen innerhalb eines Pakets (Synchrotronfrequenz) • Bei einigen Linearbeschleunigern gibt es Macrobunche

5. Longitudinale Strahlparameter und Frequenzen im Kreisbeschleuniger • Umfang des Kreisbeschleunigers • Anzahl der Bunche • Geschwindigkeit der Teilchen (Umlauffrequenz) • Hochfrequenz der Beschleunigungskavitäten (typisch im Bereich von einigen 100 MHz) – Anzahl der Buckets • Schwingungen der Bunche oder der Teilchen bezüglich der Hochfrequenz bzw. Umlauffrequenz (Synchrotronschwingung) – und daher Synchrotronfrequenz cavity cavity

6. Transversale Strahlparameter • Ungestörte Maschine, Quadrupole haben keine Fehlaufstellung - der Ring besteht nur aus Dipolmagneten und Quadrupolmagneten • Ein Teilchen ohne Ablage und Winkel läuft durch das Zentrum aller Quadrupole (idealer Orbit) • Ein Teilchen mit Ablage und Winkel führt Betatronschwingungen um den idealen Orbit aus, die Schwingung schliesst sich nicht • Viele Teilchen mit verschiedenen Anfangsbedingungen in einem Transportweg und in einem Ringbeschleuniger – Verteilung (Strahlprofil) und Emittanz => Emittanzmessung. Das Zentrum der Verteilung ist der "ideale Orbit", alle Teilchen schwingen um den idealen Orbit. • Gestörte Maschine, Quadrupole mit Fehlaufstellung • Es gibt einTeilchen, dass durch das Zentrum aller Quadrupole läuft. Es gibt in einem Ringbeschleuniger eine Teilchenbahn, die sich in schliesst ("closed orbit ") => Orbitmessung • Ein Teilchen mit Ablage / Winkel zum closed orbit führt Betatronschwingungen um den closed orbit aus. • Viele Teilchen mit verschiedenen Anfangsbedingungen in einer Transferlinie und in einem Ringbeschleuniger => Emittanz

7. Quadrupolaufstellfehler und Teilchenbahnen Idealbahn gestörte Bahn fehlaufgestellter Quadrupolmagnet

8. Vertikaler Orbit bei LEP, unkorrigiert

9. Vertikaler und horizontaler Orbit bei LEP, korrigiert

10. Messung des Strahlprofils – der Fluoroszenzschirm • Prinzip: • Eine Folie mit einem fluoreszierenden Material wird in der Strahl gebracht. Die Teilchen regen das Material an, welches Licht liefert, dass von einer Kamera beobachtet wird. Der Schirm lässt sich in die Kammer klappen / fahren • Für Linearbeschleuniger und Transportkanäle, nur für wenige Umläufe • Nicht geeignet für Speicherringe (zerstört den Strahl) • Material: Al2O3 mit Chrom dotiert, oder ZnS Strahl Fluoroszenzschirm Fenster Kamera

11. Beispiele für Schirmmonitore (siehe K.Wille)

12. Messung des Strahlstromes • Beschleuniger (einige Protonen / Antiprotonen Speicherringe, z.B. das CERN ISR) ohne Bunchstruktur • DC Strom - mittlerer Strom • Beschleuniger mit Bunchstruktur • I(t) für Linacs • AC Strom für Kreisbeschleuniger - I(t) für einen Umlauf, wenn der Strahl gebuncht ist • DC Strom - mittlerer Strom für Kreisbeschleuniger

13. Faraday-Tasse (Faraday Cup) • Strahl von geladenen Teilchen trifft auf Absorberblock auf • Teilchen laden Absorberblock auf • Sekundärelektronenemission wird durch negative Spannung am Käfig verhindert • Absorberblock entlädt sich durch einen Strom, der gemessen wird Strahl Absorberblock Abschirmung negative Spannung von einigen 100 V

14. Beispiel für eine Faraday-Tasse (siehe K.Wille)

15. Begrenzungen für Faraday-Tassen • Strahl von geladenen Teilchen muss vollständig absorbiert werden • nur für kleine Teilchenenergien möglich, denn die mittlere Reichweite der Teilchen steigt mit zunehmender Energie, z.B. für Protonen: • 500 keV 0.003 mm • 5 MeV 0.08 mm • 50 MeV 4 mm • 200 MeV 43 mm • 1 GeV 520 mm • Nur für kleinen Strahlstrom, sonst heizt sich der Absorber zu stark auf • Elektronenlinac mit einem Strom von 1 mA und einer Energie von 100 MeV hat eine Leistung von 100 kW • Bei der Messung wird der Strahl vollständig zerstört

16. Widerstandsmonitor • Wenn ausserhalb der metallischen Vakuumkammer das Magnetfeld eines Bunches gemessen wird: daher ist innerhalb der Kammer: d.h. es fliesst ein Wandstrom mit der gleichen Stärke des Strahlstroms (gilt nur oberhalb einer Grenzfrequenz. Für kleine Frequenzen, z.B. Strahlen ohne Bunchstruktur, kann man das Magnetfeld des Strahls auch ausserhalb der Vakuumkammer messen).

17. Widerstandsmonitor - Beispiel siehe K.Wille

18. Longitudinales Strahlprofil im SPS Bunch profile oscillations on the flat bottom - at 26 GeV Instabilities at low energy (26 GeV) a) Single bunches Quadrupole mode developing slowly along flat bottom. NB injection plateau ~11 s Bunch profile during a coast at 26 GeV stable beam Pictures provided by T.Linnecar

19. Strahltransformator (Beam Current Transformer) • Messung des Magnetfeldes mit Transformatorspule ausserhalb des Keramikstrahlrohrs. • Induziertes Magnetfeld in einem Eisenkern um den Strahl: Um den Eisenkern wird eine Spule mit der Querschnittsfläche A gewickelt. Die induzierte Spannung in einer idealen Spule wäre: Durch die Verluste im Eisenkern (Wirbelströme, Streukapazitäten) liegt die Grenzfrequenz bei einiger 10 MHz (im Vergleich zu Bunchlänge im Bereich von 100 MHz bis zu einem GHz und mehr). Daher => Ersatzschaltbild für den Transformator

20. BCT - Beispiel siehe K.Wille

21. Strahltransformator (Beam Current Transformer) Da die Zeitkonstante gross im Vergleich zur Bunchlänge ist, kann man den mittleren Term vernachlässigen.

22. Strahltransformator (Beam Current Transformer) Damit ist die gemessene Spannung proportional zum Strom (und nicht zur Stromänderung, wie naiv erwartet wird)

23. Stromwandler (kompensierter Strahltransformator) siehe K.Wille

24. Elektrisches Feld einer Ladung • Elektrisches Feld einer ruhenden Punktladung • im freien Raum: • Elektrisches Feld einer bewegten Punktladung: • Für >>1 ist der Öffnungswinkel der Feldlinien etwa 1/  Strahl

25. Elektrisches Feld einer Ladung zwischen leitenden Platten Elektrisches Feld einer ruhenden Ladung zwischen zwei leitenden Platten. Die Feldkomponente entlang des Leiters muss verschwinden. Elektrisches Feld einer bewegten Ladung zwischen zwei leitenden Platten. a Strahl

26. Elektrisches Pick-Up Für eine runde Vakuumkammer in der der Strahl in der Mitte läuft, sind die Feldlinien symmetrisch. Wenn der Strahl mit einer Ablage dz durch die Kammer läuft, verschieben sich die Feldlinien. Der Strahl induziert eine Spannung in den Elektroden A und B, und man kann zeigen, dass: A dz - Strahlablage (qualitativ) a B

27. Elektrisches Pick-Up am Quadrupolmagnet

28. Elektrisches Pick-Up Für eine andere Geometrie der Vakuumkammer ist die Abhängigkeit der Strahlposition von den gemessenen Spannungen komplizierter. • Für e+ / e- Beschleuniger sind die Elektroden nie in der Strahlebene angebracht, da Synchrotronstrahlung die Messung stören kann und die Elektroden zerstören kann. • Kalibration für den gebauten Monitor einschliesslich der Elektronik is notwendig. • Man erreicht eine Genauigkeit von besser als 0.1 mm. Es ist notwendig, die Position der Elektroden bezüglich der Ringgeometrie genau zu vermessen.

29. Messung der Strahllage • Mit Pick-Ups um den Beschleuniger, oder entlang der Transferlinie • Genügend Monitore, um die Aufstellungsfehler der Magnete messen und kompensieren zu können (alle 60 oder 90 Grad Phasenvorschub der Betatronschwingung) • Beispiel: Beschleuniger wie der LHC haben einen Q-Wert in der Grössenordnung von 60. Wenn alle 60 Grad gemessen werden soll, werden 6 Monitore / 360 Grad benötigt. Für beide Ebenen, horizontal und vertikal, ergibt sich eine Anzahl von 720 Monitore (für jeden Strahl) • Abgeleitete Messungen • Closed Orbit • Q-Wert • Kopplung • Optische Funktionen

30. Messung der Strahlgrösse - Emittanz • Die Strahlgrösse ist ein wesentlicher Parameter für den Beschleuniger • Collider - die Luminosität hängt von der Strahlgrösse ab • Synchrotronlichtquelle - die Brillanz hängt von der Strahlgrösse ab • Emittanz = normierte Strahlgrösse • Fehlerquellen • Betafunktion • Dispersion • Messmethoden: • Synchrotronstrahlung (sichtbares Spektrum) • Transition radiation • Luminiscence • Restgasionisation

31. LEP- Beobachtung von Synchrotronlicht

32. Optical Transition Radiation Monitors As Beam hits the 12mm Titanium foil 2 cones of radiation are emitted OTR Screen Beam Intensifier - CCD Mirror Capturing emitted radiation on a CCD gives 2D beam distribution

33. Luminescence Monitor Profile Collected every 20ms Local Pressure at ~510-7 Torr

34. (Rest Gas) Ionisation Profile Monitor - IPM