Forschung und Entwicklung

Einer der Hauptpunkte der Forschungsaktivität an ELSA ist die Erzeugung und Beschleunigung eines polarisierten Elektronenstrahls, was zugleich Gegenstand eines Teilprojekts des SFB/Transregio 16 der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG ist. Dieses Projekt umfasst, neben der weiteren Entwicklung von Quellen für polarisierte Elektronen (basierend auf der Photoemission aus Strained-Layer-Superlattice GaAs-artigen Kristallen), die Anwendung hochentwickelter Methoden zur Korrektur depolarisierender Resonanzen während der schnellen Energierampe im Stretcherring. Um eine schnelle Kontrolle der angewendeten Korrekturen zu erlauben, wurde ein Polarimeter, basierend auf der Compton-Rückstreuung zirkular polarisierten Laserlichts am gespeicherten Elektronenstrahl, entwickelt. Dieses Polarimeter wird zur Zeit aufgebaut.

Außerdem wurde eine Designstudie über die Möglichkeit einer Energieerhöhung auf 5 GeV erstellt. Ein Teil des Forschungsprogramms untersucht die Beschleunigung und Speicherung hoher Strahlströme in Kreisbeschleunigern. Studien über eine signifikante Erhöhung des internen Strahlstroms des Stretcherrings bilden einen integralen Bestandteil der beschleunigerphysikalischen Forschung im Rahmen von SFB/TR 16 und umfassen, neben der Untersuchung der Ursache kollektiver Strahlinstabilitäten, die Entwicklung dedizierter Strahldiagnoseverfahren und den Aufbau hochentwickelter Feed-back-Systeme zur aktiven Dämpfung dieser Instabiltäten. Ein Teil dieser Untersuchungen werden im Rahmen des Bonner Beitags zum Beschleunigerforschungsprogramm der Helmholtz-Allianz Physics at the Terascale (gegründet 2007 am DESY) ausgeführt.

Im Detail umfasst die Beschleunigerforschung an ELSA die folgenden Punkte:

Polarisierte Elektronen:

• Entwicklung gepulster Quellen polarisierter Elektronen
  Entwicklung, Konstruktion und Aufbau der Hardware unter extremen Vakuumbedingungen (Elektronenkanone, Präparationskammer und Schleusensystem) sowie des erforderlichen Lasersystems; in situ Untersuchung der Eigenschaften verschiedener Typen von Photokathoden im Hinblick auf eine Erhöhung des maximalen Emissionsstroms und der Strahlpolarisation; Entwicklung und Test neuartiger Techniken des Ausheizens und der Präparation der Photokathoden.
• Beschleunigung polarisierter Elektronen in Kreisbeschleunigern
  Berechnung der Stärke depolarisierender Resonanzen (numerische Integration, Spin-Tracking), Entwicklung und Aufbau eines neuen Magnetsystems zur Korrektur von Closed-Orbit-Störungen während der schnellen Energierampe, Kompensation depolarisierender Resonanzen mittels harmonischer Closed-Orbit-Korrekturen und schneller Änderungen des vertikalen Arbeitspunkts mit Hilfe gepulster Quadrupole.

Langsame Strahlextraktion

• Optimierung der Extraktionsoptik
  Numerische Simulation und experimentelle Untersuchung des Einflusses der transversalen und longitudinalen Arbeitspunkte und der Chromatizität auf die Eigenschaften des extrahierten Strahls (Emittanz, Strahllagestabiltät, Zeitstruktur).
• Erweiterung des Strahlstrombereichs
  Extraktion geringer Strahlströme im Bereich von Femtoampere für Detektortests, Extraktion hoher Ströme bis 10 nA, aktive Stabilisierung der Strahllage.
• Aufbau eines neuen Messplatzes für Detektortests
  Entwicklung und Aufbau einer neuen Strahlextraktion und einer externen Strahlführung, die es erlaubt, die Strahlparameter (Strom und Strahlbreite) über einen weiten Bereich zu variieren.

Strahldiagnose:

• Messung der Arbeitspunkte
  Entwicklung und Aufbau eines gepulsten Dipolmagneten (Arbeitspunkt-Kicker) zur Anregung kohärenter Strahlschwingungen während der Energierampe, Analyse des Spektrums der Strahlschwingungen, periodische Anregung von longitudinalen und transversalen Strahlschwingungen mittels Strip-Line-Kickern und Phasenmodulation der Beschleuniger-HF, phasensensitive Analyse der Strahlschwingungen mit Hilfe von Lock-in-Techniken.
• Messung der Strahlintensitätsverteilung im Phasenraum
  Entwicklung und Konstruktion eines hochauflösenden Synchrotronlichtmonitors (Nachweis der UV-Komponente) zur Messung des transversalen Strahlintensitätsprofils; Entwicklung und Konstruktion eines breitbandigen Wandstrommonitors zur Messung des longitudinalen Strahlintensitätsprofils.
• Polarimetrie des gespeicherten Elektronenstrahls
  Entwicklung, Aufbau und Optimierung eines Compton-Poalrimeters basierend auf einem 2x20 W Scheibenlaser und einem Siliziumstreifendetektor (768 Kanäle, jeder Kanal mit Verstärker, Diskriminator und Event-Counter; entwickelt in enger Kollaboration mit der ATLAS-Pixel-Gruppe von Prof. Dr. Wermes).
• Messung der Strahlintensität und -position und des Strahlprofils bei niedrigen Strömen
  Messung von Strahlströmen im Bereich von Femtoampere und der Strahlposition bei Strömen im Bereich von Pikoampere mit Hilfe von HF-Resonatoren und Lock-in-Verstärkern; Messung des transversalen Strahlprofils bei Strömen im Pikoampere-Bereich mit Hilfe von Synchrotronlichtmonitoren.

Beschleunigung und Speicherung hoher Strahlströme:

• Single-Bunch-Betrieb des Stretcherrings
  Upgrade von LINAC 1 für Single-Puls-Erzeugung und Single-Bunch-Betrieb; Aufbau einer Single-Bunch-Akkumulation im Stretcherring.
• Untersuchung der Ursache kollektiver Strahlinstabilitäten
  Numerische Simulation der Koppelimpedanzen der Vakuumkammern, numerische Simulation von Moden höherer Ordnung in den Beschleunigerresonatoren (PETRA-Typ), Analyse des Spektrums kohärenter Strahlschwingungen im Single- und Multi-Bunch-Betrieb.
• Unterdrückung von Moden höherer Ordnung in den Resonatoren
  Bestimmung aller störenden Moden höherer Ordnung (HOMs), Untersuchung des Einflusses der Betriebstemperatur auf die HOMs, Entwicklung eines HOM-Kopplers.
• Aktive Dämpfung kohärenter Strahlinstabilitäten
  Entwicklung, Aufbau und Optimierung eines breitbandigen Feedback-Systems zur Dämpfung longitudinaler und transversaler Strahlinstabilitäten.