Study and Optimization of the Transverse Beam Parameters before Injection into the Storage Ring BESSY II

Abstract

Am BESSY II liefert ein Linearbeschleuniger Elektronen mit 50 MeV an ein Synchrotron, wo diese in 33 ms auf 1.7 GeV beschleunigt und dann in den Speicherring injiziert werden. Die Injektion in den Speicherring ist ein kritischer Schritt des Beschleunigungszyklus und wichtig für den Top Up Modus. Verlorene Elektronen einer nicht angepassten Injektion erzeugen Bremsstrahlung und Radionuklide. Erstere führen kurzzeitig und letztere langfristig zu erhöhten Strahlungsdosen, welche vermieden werden sollen. Daher ist es wichtig, die Strahlparameter für eine verlustfreie Injektion zu optimieren. Für Top Up Injektion in den Speicherring BESSY II wird eine durchschnittliche Injektionseffizienz von mindestens 90% benötigt. Zukünftige BESSY II Merkmale sollen kurze Bunche im Speicherring (VSR) und eine für Nutzer transparente Injektion mit einem nichtlinearen Kicker beinhalten. Diese werden der Anforderung möglichst geringer radialer Emittanz des injizierten Strahls zusätzliches Gewicht verleihen. Der Strahl wird horizontal versetzt in der radialen Ebene in den Speichering injiziert. Daher bedingt eine größere radiale Strahlemittanz eine größere Akzeptanz des Ringes. Der injizierte Strahl wird von einem Synchrotron geliefert. Er wird kurz vor erreichen der Gleichgewichtsemittanz aus diesem extrahiert. Adiabatische und Strahlungsdämpfung bedingt durch Zufällige Impulsverluste durch Synchrotronstrahlung und stetige Erhöhung des longitudinalen Impulses in der Kavität verringern die Emittanz über den Beschleunigungszyklus. Die Quantenanregung erhöht die Emittanz durch Synchrotronstrahlung in dispersiven Sektionen und findet dementsprechend hauptsächlich in der radialen Ebene statt. Ohne transversale Kopplung erhält man so einen Strahl mit relativ großer radialer und relativ kleiner axialer Emittanz vom Synchrotron. Im Falle ausreichender axialer Akzeptanz des Rings kann man die kleine axiale Emittanz durch transversalen Emittanzaustausch vor der Injektion ausnutzen. Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung der transversalen Strahlemittanz vom Linearbeschleuniger über die Beschleunigungsrampe im Boostersynchrotron bis zur Injektion in den Speicherring. Weiterhin werden verschiedene Möglichkeiten untersucht, diese Entwicklung zu beeinflussen. Insbesondere Emittanzaustauschprozesse zwischen der kleinen axialen und großen radialen Emittanz werden untersucht. Dies ist möglich mit einem Satz gedrehter Quadrupole in der Transferline oder mit dynamischen, gedrehten Quadrupolen im Booster, welche einen Austausch kurz vor Extraktion induzieren. Ergebnisse von Emittanzmessungen und eine Abschätzung einer möglichen Emittanzaustauschsektion für die Transferline werden vorgestellt.

At BESSY II a linear accelerator delivers electrons with 50 MeV to a synchrotron where they are boosted to 1.7 GeV in 33 ms and then injected into the storage ring. The injection into the ring is a critical step of the acceleration cycle and of great importance for implementing the top up mode. Lost electrons from a mismatched injection produce Bremsstrahlung and radionuclides. The former lead to short-term and the latter to long-term increased radiation doses which must be avoided. Therefore, it is important to optimize the beam parameters for a close to lossless injection. For top up injection into the storage ring BESSY II, an average injection efficiency of 90% is required. Future BESSY II features will include shorter bunches in the storage ring (VSR) and a user transparent injection with a non linear kicker. These will raise the demands on the quality of the injected beam even further. The beam is injected into the storage ring in the radial plane and off-axis. Thus larger radial beam emittance requires a bigger radial acceptance of the ring. The injected beam is provided by a synchrotron, from which the beam is extracted just before reaching equilibrium emittance. Adiabatic and radiation damping due to steady increase of longitudinal momentum in the cavity and random loss of momenta by synchrotron radiation decrease the emittance during particle acceleration. The quantum excitation increases the emittance by synchrotron radiation in dispersive sections and hence, usually takes place in the radial plane. Without transverse coupling this leads to a beam with relatively large radial and small axial emittance from the synchrotron. In case of sufficient axial acceptance in the ring, one can take advantage of the small axial emittance by transverse emittance exchange before injection. Subject of this thesis is to study the development of the transverse electron beam emittance from the linear accelerator over the acceleration in the booster-synchrotron up to the injection into the storage ring. Furthermore, different possibilities of altering this development are evaluated. Especially emittance exchange processes between the small axial and large radial emittance are studied. This is possible with a set of static skew quadrupole magnets in the transfer line or with dynamic skew magnets in the booster that induce an emittance exchange just before extraction. Results of emittance measurements and an estimation of a possible exchange section in the transfer line are given.