Intensitäts- und Energieerhöhung an ELSA

An der Elektronen-Stretcher-Anlage ELSA am Physikalischen Institut der Universität Bonn werden im Zuge des Sonderforschungsbereichs SFB/TR 16 “Elektromagnetische Anregung subnuklearer Systeme” Experimente zur Untersuchung der Hadronenstruktur durchgeführt. Dabei werden linear oder zirkular polarisierte Photonenstrahlen, erzeugt aus spinpolarisierten oder unpolarisierten Elektronenstrahlen durch Streuung an sogenannten Bremsstrahlungstargets, an spinpolarisierten Baryonen gestreut. Zur Detektion kleiner Wirkungsquerschnitte sind dabei große Streu- und Ereignisraten erforderlich. Daraus resultiert die Notwendigkeit einer Erhöhung der Intensität des Elektronenstrahls um etwa eine Größenordnung. Der durch die Beschleunigeranlage ELSA generierte Elektronenstrahl durchläuft zwei Vorbeschleunigerstufen in Form eines Linearbeschleunigers und des Booster-Synchrotrons und wird im ELSA-Stretcherring bei einer Endenergie von maximal 3,2GeV über mehrere Sekunden zu den Hadronenphysikexperimenten extrahiert. Die geplante Intensitätserhöhung erfordert zur Wahrung des makroskopischen Tastverhältnisses eine äquivalente Intensitätserhöhung des internen Strahls auf bis zu 200mA. Ziel dieser Arbeit ist die Umrüstung der drei Beschleunigerstufen zum Erreichen der gewünschten Strahlintensitäten an den Experimentierplätzen. Durch den Einsatz eines neuen Linearbeschleunigers LINAC 1 mit einer thermischen Hochstromelektronenquelle kann in Verbindung mit dem Einsatz eines mehrstufigen Bunchersystems ein intensiver Elektronenstrahl im Booster-Synchrotron vorbeschleunigt und im Stretcherring akkumuliert werden. Die durch den Elektronenstrahl erzeugten elektromagnetischen Felder wechselwirken mit der leitenden Vakuumkammer des Speicherrings und können damit auf nachfolgende Elektronenpakete wirken. Wechselwirkungen dieser Art können sogenannte Multi-Bunch-Instabilitäten auslösen, die zu einer Minderung der Strahlqualität bis hin zu partiellem oder vollständigem Strahlverlust führen. An ELSA werden diese Instabilitäten durch ein aktives Bunch-by-Bunch-Feedback-System kompensiert. Dieses FPGA-basierte System erlaubt darüber hinaus eine detaillierte Untersuchung der dreidimensionalen Strahldynamik im Stretcherring und auch im Booster-Synchrotron. Eine neue Hochfrequenzanlage mit zwei siebenzelligen Hochfrequenzresonatoren des Typs PE- TRA wird im Stretcherring aufgebaut, um den Energieverlust des Elektronenstrahls durch die Abstrahlung von Synchrotronlicht auch bei hohen Strahlintensitäten kompensieren zu können. Damit ist auch eine Erhöhung der Strahlenergie auf 3,5GeV möglich. Die bereits bestehende Hochfrequenzanlage wurde mit einer neuen FPGA-basierten Ansteuerung zur aktiven Regelung der Beschleunigungsspannung und -phase ausgestattet, die den stabilen Betrieb des Bunch-by- Bunch-Feedback-Systems unabhängig von Strahlenergie und -intensität ermöglicht. Mit diesen Maßnahmen ist es gelungen, die Beschleunigeranlage ELSA für den stabilen Betrieb mit Strahlintensitäten von bis zu 200mA zu optimieren

Fast Mapping of Terahertz Bursting Thresholds and Characteristics at Synchrotron Light Sources

Dedicated optics with extremely short electron bunches enable synchrotron light sources to generate intense coherent THz radiation. The high degree of spatial compression in this so-called low-alpha optics entails a complex longitudinal dynamics of the electron bunches, which can be probed studying the fluctuations in the emitted terahertz radiation caused by the micro-bunching instability ("bursting"). This article presents a "quasi-instantaneous" method for measuring the bursting characteristics by simultaneously collecting and evaluating the information from all bunches in a multi-bunch fill, reducing the measurement time from hours to seconds. This speed-up allows systematic studies of the bursting characteristics for various accelerator settings within a single fill of the machine, enabling a comprehensive comparison of the measured bursting thresholds with theoretical predictions by the bunched-beam theory. This paper introduces the method and presents first results obtained at the ANKA synchrotron radiation facility.Comment: 7 pages, 7 figures, to be published in Physical Review Accelerators and Beam

Simultaneous Detection of Longitudinal and Transverse Bunch Signals at a Storage Ring

To understand and control the dynamics in the longitudinal phase space, time-resolved measurements of different bunch parameters are required. For a reconstruction of this phase space, the detector systems have to be synchronized. This reconstruction can be used e.g. for studies of the micro-bunching instability. It occurs if the interaction of the bunch with its own radiation leads to the formation of sub-structures on the longitudinal bunch profile. These sub-structures can grow rapidly -- leading to a sawtooth-like behaviour of the bunch. At KARA, we use a fast-gated intensified camera for energy spread studies, Schottky diodes for coherent synchrotron radiation studies as well as electro-optical spectral decoding for longitudinal bunch profile measurements. For a synchronization, a hardware synchronization scheme is used which compensates for eventual hardware delays. In this paper, the different experimental setups and their synchronization are discussed and first results of synchronous measurements are presented

Fast mapping of terahertz bursting thresholds and characteristics at synchrotron light sources

Dedicated optics with extremely short electron bunches enable synchrotron light sources to generate intense coherent THz radiation. The high degree of spatial compression in this so-called low-α$_{c}$ optics entails a complex longitudinal dynamics of the electron bunches, which can be probed studying the fluctuations in the emitted terahertz radiation caused by the microbunching instability (“bursting”). This article presents a “quasi-instantaneous” method for measuring the bursting characteristics by simultaneously collecting and evaluating the information from all bunches in a multibunch fill, reducing the measurement time from hours to seconds. This speed-up allows systematic studies of the bursting characteristics for various accelerator settings within a single fill of the machine, enabling a comprehensive comparison of the measured bursting thresholds with theoretical predictions by the bunched-beam theory. This paper introduces the method and presents first results obtained at the ANKA synchrotron radiation facility

Systematic Studies of the Micro-Bunching Instability at Very Low Bunch Charges

At KARA, the KArlsruhe Research Accelerator of the KIT synchrotron, the so called short bunch operation mode allows the reduction of the bunch length down to a few picoseconds. The micro- bunching instability resulting from the high degree of longitudinal compression leads to fluctuations in the emitted THz radiation, referred to as bursting. For extremely compressed bunches at KARA, bursting occurs not only in one but in two different bunch-current ranges that are separated by a stable region. This work presents measurements of the bursting behavior in both regimes. Good agreement is found between data and numerical solutions of the Vlasov-Fokker-Planck equation.Comment: 6 pages, 5 figures, to be submitte

From self-organization in relativistic electron bunches to coherent synchrotron light: observation using a photonic time-stretch digitizer

In recent and future synchrotron radiation facilities, relativistic electron bunches with increasingly high charge density are needed for producing brilliant light at various wavelengths, from X-rays to terahertz. In such conditions, interaction of electrons bunches with their own emitted electromagnetic fields leads to instabilities and spontaneous formation of complex spatial structures. Understanding these instabilities is therefore key in most electron accelerators. However, investigations suffer from the lack of non-destructive recording tools for electron bunch shapes. In storage rings, most studies thus focus on the resulting emitted radiation. Here, we present measurements of the electric field in the immediate vicinity of the electron bunch in a storage ring, over many turns. For recording the ultrafast electric field, we designed a photonic time-stretch analog-to-digital converter with terasamples/second acquisition rate. We could thus observe the predicted link between spontaneous pattern formation and giant bursts of coherent synchrotron radiation in a storage ring.Comment: 9 pages, 5 figure