Entwicklung und Aufbau der Laser-getriebenen Compton-Rückstreuquelle COBRA für Strahldiagnose am S-DALINAC

Meier, Maximilian Georg (2024)
Entwicklung und Aufbau der Laser-getriebenen Compton-Rückstreuquelle COBRA für Strahldiagnose am S-DALINAC.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027694
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/27694

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Charakterisierung der Elektronenstrahlenergie und Energieunschärfe von Beschleunigern ist ein wichtiger Aspekt für viele Experimente. Hierzu gibt es je nach Beschleunigeranlage und Typ unterschiedlichste Methoden. Eine vielversprechende Methode ist die Verwendung der inversen Compton-Streuung oder Compton-Rückstreuung, bei der ein Photon an einem relativistischen Elektron streut und dabei ein Energieübertrag vom Elektron auf das Photon stattfindet. Dieser Zusammenhang kann vereinfacht über eine doppelte Lorentztransformation der Photonenenergie mit E=4γ²·Eₚ ausgedrückt werden, wobei γ der Lorentzfaktor gegeben durch das Elektron ist und Eₚ die Energie des ursprünglichen Photons. Das gestreute Photon hat somit quadratisch proportional zum Impuls der Elektronen an Energie gewonnen. Mit der detektierten Energie des gestreuten Photons kann anschließend auf die Elektronenenergie rückgeschlossen werden. Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung und den Aufbau einer Laser-getriebenen Compton-Rückstreuquelle am supraleitenden Darmstädter Elektronen-Linearbeschleuniger (S-DALINAC) des Instituts für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt, welcher als mehrfach rezirkulierender ERL (Akronym für engl. Energy Recovery LINAC) betrieben werden kann. Die Compton-Rückstreuquelle COBRA (Akronym für engl. Compton Backscattering at a Recirculating Accelerator) wurde entwickelt und aufgebaut für den Betrieb als Elektronenstrahldiagnose. Mit ihr soll zunächst die kinetische Energie und die Energieunschärfe gemessen werden. Außerdem bietet das System eine gute Basis für spätere Weiterentwicklungen in Richtung einer Strahlungsquelle für Röntgenphotonen, wodurch ein neuer Anwendungsbereich geschaffen würde. Im Verlauf dieser Arbeit werden die theoretischen Grundlagen zur Compton-Rückstreuung geschaffen, woraus Entwicklungs-Aspekte für eine Compton-Rückstreuquelle abgeleitet werden können. Anschließend wird der S-DALINAC und die aktuell verwendeten Messmethoden der Strahlparameter vorgestellt. Ein zentrales Element für die COBRA-Quelle ist für den S-DALINAC und die Anwendung als Strahldiagnose ein geeignetes Lasersystem zu charakterisieren. Hierzu wurde ein Simulationsprogramm auf Basis der analytischen Rechnungen der Compton-Rücksstreuung erstellt. Die Ergebnisse, wie auch das finale Lasersystem werden vorgestellt. Es zeigt sich, dass ein 100-W-Lasersystem für die erfolgreiche Strahldiagnose benötigt wird. Trotz der Positionierung des Lasersystems in einem ca. 50 m entfernten Laserlabor konnte eine Transmission der Leistung von 96% gewährleistet werden. Der zweite Teil der Entwicklung beinhaltet die geometrische Auslegung der Überlagerung des Elektronen- und Laserstrahls. Hierzu wurde ein robustes und dennoch flexibles Design gewählt. Dieses soll erste Messungen der Strahlenergie ermöglichen und möglichst viel Anpassungspotential liefern. Die gewählte Geometrie der Frontalkollision spielt dabei eine zentrale Rolle, bietet es doch die Maximierung der Parameter Photonenfluss und Energie, bei gleichzeitig vereinfachter Analyse der Diagnosedaten. Die Frontralkollision wurde durch den Einsatz eines Off-Axis-Parabolspiegels erreicht, welcher in der Strahlachse der Elektronen positioniert wird. Um den Elektronen den Durchgang durch den Spiegel zu vereinfachen, wurde dieser mit einer zentralen Bohrung versehen. Der Laserstrahl hingegen wird durch den Parabolspiegel um 90° umgelenkt und fokussiert. Dieser Aufbau hat dadurch eine gewisse Flexibilität der Laserstrahlparameter, so kann jederzeit die Strahlgröße und auch der Kollisionswinkel (in geringem Maße) angepasst werden. Abschließend konnte die entwickelte Compton-Rückstreuquelle COBRA innerhalb der dritten Rezirkulation des S-DALINAC aufgebaut werden. Es wurden Messungen zur Charakterisierung des Laserstrahls am Interaktionspunkt durchgeführt. Hier konnten Strahlgrößen von 50 bis 100 μm mit 93% der Laserleistung erreicht werden. Dies bildet eine gute Grundlage für die anschließende Inbetriebnahme von COBRA.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2024

Autor(en):

Meier, Maximilian Georg

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Entwicklung und Aufbau der Laser-getriebenen Compton-Rückstreuquelle COBRA für Strahldiagnose am S-DALINAC

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Enders, Prof. Dr. Joachim ; Pietralla, Prof. Dr. Norbert

Publikationsjahr:

2 August 2024

Ort:

Darmstadt

Kollation:

135, xxv Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

5 Februar 2024

DOI:

10.26083/tuprints-00027694

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/27694

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

Characterising the electron beam energy and energy uncertainty of accelerators is an important aspect of many experiments. There are various methods for this, depending on the accelerator system and type. One promising method is the use of inverse Compton scattering or Compton backscattering, in which a photon scatters off a relativistic electron and energy is transferred from the electron to the photon. This relationship can be expressed in simplified terms using a double Lorentz transformation of the photon energy with E=4γ²·Eₚ, where γ is the Lorentz factor given by the electron and Eₚ is the energy of the original photon. The scattered photon has thus gained energy proportional to the square of the electron's momentum, the photon is boosted in energy. The detected energy of the scattered photon can then be used to calculate the electron energy. This dissertation describes the development and construction of a laser-driven Compton backscattering source at the superconducting Darmstadt Electron Linear Accelerator (S-DALINAC) of the Institute of Nuclear Physics at the Technical University of Darmstadt, which can be operated as a multiple recirculating ERL (Energy Recovery LINAC). The Compton backscattering source COBRA (Compton Backscattering at a Recirculating Accelerator) was developed and constructed for operation as an electron beam diagnostics device. It will initially be used to measure the kinetic energy and the energy uncertainty. In addition, the system offers a good basis for later developments in the direction of a monochromatic X-ray photon source, which would create a new area of application. In the course of this work, the theoretical basis for Compton backscattering is established. From this, development aspects for a Compton backscattering source can be derived. The S-DALINAC and the methods currently used to measure the beam parameters are then presented. A central element for the COBRA source is to characterise a suitable laser system for the S-DALINAC and its application as beam diagnotics. A simulation programme based on the analytical calculations of Compton backscattering was created for this purpose. The results and the final laser system are presented. It is shown that a 100 W laser system is required for successful beam diagnostics. Despite the positioning of the laser system in an approx. 50 m distant laser laboratory, a transmission of the power of 96% could be guaranteed. The second part of the development involves the geometric design of the superposition of the electron and laser beams. A robust yet flexible design was chosen for this. This should enable initial measurements of the beam energy and provide as much customisation potential as possible. The selected geometry of the frontal collision plays a central role here, as it maximises the photon flux and energy parameters while simplifying the analysis of the diagnostic data. The frontal collision was achieved by using an off-axis parabolic mirror, which is positioned in the beam axis of the electrons. To make it easier for the electrons to pass through the mirror, it was provided with a central hole. The laser beam, on the other hand, is deflected and focussed by the parabolic mirror by 90°. This setup therefore has a certain flexibility in the laser beam parameters, meaning that the beam size and also the collision angle can be adjusted (to a small extent) at any time. Finally, the developed Compton backscattering source COBRA was set up within the third recirculation of the S-DALINAC. Measurements were carried out to characterise the laser beam at the interaction point. Here, beam sizes of 50 to 100 μm with 93% of the laser power could be achieved. This forms a good basis for the subsequent commissioning of COBRA.

Englisch

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-276948

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Experimentelle Kernphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Experimentelle Kernphysik > Technische Kernphysik und Beschleunigerphysik

Hinterlegungsdatum:

02 Aug 2024 12:07

Letzte Änderung: