Optimierung des Beschleunigerbetriebs für Experimente zur Hadronen- und Detektorphysik an der Elektronen-Stretcher-Anlage ELSA

Abstract

An der Elektronen-Stretcher-Anlage ELSA des Physikalischen Instituts der Universität Bonn werden an den beiden Experimentierplätzen Crystal Barrel/TAPS und BGO-OD Experimente zur Untersuchung der inneren Struktur von Nukleonen durchgeführt. Das Areal wurde in den vergangenen Jahren durch einen weiteren Messplatz für Detektortests ergänzt, an dem die Möglichkeit besteht, mit einem primären Elektronenstrahl die Funktionalität und Leistungsfähigkeit neuartiger Detektoren zu evaluieren.<br /> Die Erfordernisse der Hadronenphysikexperimente an die Qualität und Intensität des Elektronenstrahls sind in den vergangenen Jahren stetig gestiegen. Auch durch den neuen Messplatz und die damit verbundenen neuen Betriebsmodi des Beschleunigers wurden Anforderungen gestellt, die eine grundlegende Weiterentwicklung der Anlage erforderten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher die Beschleunigeranlage hinsichtlich des geplanten Experimentierbetriebs der nächsten Jahre optimiert.<br /> Dazu wurde das Kontrollsystem des Beschleunigers weiterentwickelt und für den Betrieb auf einem modernen und leistungsfähigeren Computersystem angepasst. Sowohl die Stabilität als auch die Leistungsfähigkeit des Systems konnten erheblich verbessert werden. Es wurde eine neue Datenbank zur Langzeitarchivierung von allen Mess- und Steuerwerten in das Kontrollsystem integriert sowie eine grafische Benutzeroberfläche dafür entwickelt. <br /> Das alte Timing-System der Beschleunigeranlage wurde durch ein, im Rahmen dieser Arbeit konzipiertes, entwickeltes und in Betrieb genommenes System ersetzt. Das neue System basiert auf einem FPGA und ist mit der zentralen Hochfrequenzanlage synchronisiert. Dadurch ist es möglich, Einzel-Bunche zwischen den Beschleunigerstufen zu transferieren und im Speicherring zu akkumulieren. Ebendieses Akkumulationssystem findet auch im regulären Beschleunigerbetrieb zur Erzeugung einer homogenen Füllstruktur im Speicherring durch mehrfache und zeitversetzte Injektionen aus den Vorbeschleunigern Verwendung. Durch das neue Timing-System wurde der starre Zyklus des Nachbeschleunigungsmodus durch einen dynamischen, stets an die aktuellen Begebenheiten angepassten, ersetzt. Damit wird sowohl eine gleichbleibende Intensität des gespeicherten Elektronenstrahls als auch eine Vergrößerung der effektiven Messzeit der Experimente erreicht. Für die Haupt- und Korrektormagnete im Speicherring wurde eine neue Ansteuerelektronik entwickelt, die die dynamische Zyklusdauer unterstützt. Gleichzeitig konnte so die Auflösung der Energie- und Arbeitspunkteinstellung um den Faktor vier erhöht werden. <br /> Im Speicherring treten optische Resonanzen auf, die durch nicht-lineare Magnetfeldkomponenten verursacht werden und zu einer Reduzierung der Strahlqualität oder zum Strahlverlust führen können. Die Resonanzen treten bei bestimmten, theoretisch berechenbaren, Einstellungen der Magnetoptik auf. Ihre Stärke und damit der Einfluss auf den Elektronenstrahl lässt sich aber ohne detaillierte Kenntnis der Magnetfeldverteilung nicht vorhersagen. In dieser Arbeit wird ein Messverfahren vorgestellt, mit dem optische Resonanzen, in der Umgebung der üblicherweise an ELSA verwendeten Arbeitspunkte, identifiziert und charakterisiert werden können. Durch Messungen bei unterschiedlichen Parametern der Resonanzextraktion konnte ebenfalls die Auswirkung der zusätzlichen Anregung durch Sextupolfelder untersucht werden. Es wurde ein Arbeitspunktdiagramm erstellt, das alle identifizierten Resonanzen beinhaltet, und in der Zukunft bei der Wahl der Extraktionsparameter genutzt werden kann, um Strahlverlust während des regulären Beschleunigerbetriebs zu vermeiden.