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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

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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.

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Übersicht von einigen Messinstrumenten zur Strahldiagnose

Typ des Monitors

StrahlparameterFluoroszenz

schirmFaraday Tasse

Stahl Transformator

Widerstands monitor

Elektroden monitor

Synchrotron strahlungs monitor

Draht Scanner

Spektrometer

Laser Polarimeter

Strahlintensität 1 2 2 1 1 1 1 3 3

Strahllage 2 3 3 3 2 1 1 1 1Strahlprofil, transversal 2 3 3 3 3 2 2 2Strahlprofil, longitudinal (Bunchlänge) 3 2 3 2 2 2 3 3 1

Strahlenergie 3 3 3 3 3 3 3 2 2

Polarisation 3 3 3 3 3 3 3 3 2Effekt auf den Strahl 1 3 2 2 2 2 2 2

1 possible somewhat destructive

3 not possible destructive

2 very good non destructive

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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

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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

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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

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Quadrupolaufstellfehler und Teilchenbahnen

fehlaufgestellter Quadrupolmagnet

Idealbahn

gestörte Bahn

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Vertikaler Orbit bei LEP, unkorrigiert

9

Vertikaler und horizontaler Orbit bei LEP, korrigiert

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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

FluoroszenzschirmStrahl

Fenster

Kamera

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Beispiele für Schirmmonitore (siehe K.Wille)

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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

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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

negative Spannung von einigen 100 V

StrahlAbsorberblock

Abschirmung

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

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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

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Widerstandsmonitor

Wenn ausserhalb der metallischen Vakuumkammer das Magnetfeld eines Bunches gemessen wird:

0rBaussen

d

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. Strahlenohne Bunchstruktur, kann man das Magnetfeld des Strahls auch ausserhalbder Vakuumkammer messen).

Strahlinnen IdrB

0

1

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Widerstandsmonitor - Beispiel siehe K.Wille

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Longitudinales Strahlprofil im SPS

Instabilities at low energy (26 GeV)

a) Single bunchesQuadrupole mode developing slowly along flat bottom. NB injection plateau ~11 s

Bunch profile oscillations on the flat bottom - at 26 GeV

Bunch profile during a coast at 26 GeV

stable beam

Pictures provided by T.Linnecar

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Strahltransformator (Beam Current Transformer)

Messung des Magnetfeldes mit Transformatorspule ausserhalb des Keramikstrahlrohrs. Induziertes Magnetfeld in einem Eisenkern um den Strahl:

Kern

Strahlr

RtI

t

2

)()( 0B

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 dieGrenzfrequenz bei einiger 10 MHz (im Vergleich zu Bunchlänge im Bereich von100 MHz bis zu einem GHz und mehr).

Daher => Ersatzschaltbild für den Transformator

dttdI

RAn

dttd

AntU Strahl

Kern

rind

)(

2)(

)( 0

B

20

BCT - Beispiel siehe K.Wille

21

Strahltransformator (Beam Current Transformer)

dt

tdU

RtI

RCdttdI

:R durch Division und erenDifferenzi durch folgt es und

tUdttIC

RtI :gilt Daher

RtItU :Widerstand am Spannung

dttIC

tU :rKondensato am Spannung

ind

TTT

T

indT

T

TR

TA

)(1)(

1)(

)()(1

)(

)()(

)(1

)(

Da die Zeitkonstante gross im Vergleich zur Bunchlänge ist, kann man den mittlerenTerm vernachlässigen.

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Strahltransformator (Beam Current Transformer)

)(2

1)(

)(1

)(1

)(

)(1

)(

)(1)(

0 tIR

An

RCtU

:und

dttURC

dttIC

tU

:damit ist rKondensato am Spannung Die

consttUR

tI

dt

tdU

RdttdI

StrahlKern

r

TTA

indTTT

A

indT

ind

T

Damit ist die gemessene Spannung proportional zum Strom (und nicht zur Stromänderung, wie naiv erwartet wird)

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Stromwandler (kompensierter Strahltransformator) siehe K.Wille

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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/

2

30

r1 d.h.

r4

q

/

)(

E

rrE

Strahl

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Elektrisches Feld einer Ladung zwischen leitenden Platten

Elektrisches Feld einer bewegten Ladung zwischen zwei leitenden Platten.

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

ist. wennBunches,

des Ausdehnung die wiegleich etwa Bunch einen für damit und

/a :ist Platte leitenden der an gPunktladun einer Feldregion

der Ausdehnung Die 1/ ist nkelÖffnungswi Der

w

1

.

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:

dz - Strahlablage(qualitativ)

a

A

B

ba

ba

UUUUa

2

dz

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.

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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

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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

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LEP- Beobachtung von Synchrotronlicht

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Optical Transition Radiation Monitors

OTR Screen

Beam

Mirror

Intensifier -CCD

As Beam hits the 12m Titanium foil 2 cones of radiation are emitted

Capturing emitted radiation on a CCD gives 2D beam distribution

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Luminescence Monitor

Profile Collected every 20msLocal Pressure at ~510-7 Torr

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(Rest Gas) Ionisation Profile Monitor - IPM