Diese Arbeit zielt darauf ab, ein zerstörungsfreies Strahl-Zeitstruktur Überwachungssystem für den supraleitenden Linearbeschleuniger Darmstadt S-DALINAC zu entwickeln. Der S-DALINAC ist ein 3 GHz supraleitender Elektronenbeschleuniger, der als energierückgewinnender Linearbeschleuniger (Energy recovery LINAC, ERL) betrieben werden kann. Der ERL-Betriebsmodus ermöglicht die Rückgewinnung der Strahlenergie und deren Nutzung zur Beschleunigung folgender Teilchenpakete. Dies wird erreicht, indem der Strahl mit einer Phasenverschiebung von 180°, bezüglich der Phase des elektrischen Feldes in den Beschleunigerhohlräumen, zum Hauptbeschleuniger zurückgeführt wird. Während des Betriebs im ERL-Modus zirkulieren zwei Strahlen gleichzetig in einer Strahllinie, was zu einer Teilchenpaket-Rate von 6 GHz innerhalb dieser Strahllinie führt. Um beide Strahlen zu überwachen, muss ein Detektorsystem aufgebaut werden, das diese Zeitstruktur von 6 GHz auflösen kann.

Zu diesem Zweck wurde ein Testaufbau auf Grundlage von Low Gain Avalanche Diodes (LGADs) entwickelt. LGADs sind für die gleichzeitige und hochpräzise Messung von Position und Zeit optimierte Siliziumsensoren. Mehrere Gruppen haben für LGADs eine Zeitauflösung von unter 50 ps nachgewiesen, was darauf hindeutet, dass diese Technologie ein geeigneter Kandidat für die Überwachung der Strahl-Zeitstruktur am S-DALINAC ist. Das Auslesesystem basiert auf Leading-Edge-Diskriminatoren und Field-Programmable Gate Array (FPGA)-basierten Time-to-Digital converters (TDCs), die an der GSI in Darmstadt entwickelt wurden. Diese ermöglichen die Messung der Ankunftszeit und der Signalbreite mittels der Time-over-Threshold-Methode.

Um die Machbarkeit eines LGAD-basierten Systems zur Strahlzeitstrukturüberwachung zu demonstrieren, wurde ein vereinfachter Aufbau auf der Grundlage eines einzelnen LGAD-Sensors (1 cm×0.5 cm ) mit einer begrenzten Anzahl aktiver Kanäle vorbereitet und in der Versuchshalle des S-DALINAC getestet. Aufgrund der Anordnung des Aufbaus hatte der gelieferte Strahl eine Zeitstruktur von 3 GHz. Bei dieser Proof-of-Principle-Demonstration wurde die 3 GHz Zeitstruktur des S-DALINAC-Strahls zum ersten Mal erfolgreich aufgelöst.

Um die Machbarkeit und Leistung eines LGAD-basierten Strahl-Zeitstruktur-Überwachungssystems zu untersuchen, wurde ein erweiterter Aufbau mit zwei 1 cm×1 cm großen LGAD-Sensoren vorbereitet. Im Gegensatz zum ersten Proof-of-Principle-Experiment wurde das gesamte System mit einer verbesserten Ausleseelektronik ausgestattet. Außerdem wurde mit diesem verbesserten Aufbau die 3 GHz Zeitstruktur erfolgreich aufgelöst und eine intrinsische Zeitauflösung von 79 ps demonstriert.

Da die Installation des Aufbaus für die Proof-of-Concept-Studie außerhalb der Beschleunigerhalle erfolgen musste, konnte nur der Strahl mit der 6 GHz Zeitstruktur gemessen werden. In einem nächsten Schritt wurde eine Konzeptstudie mit Hilfe von Geant4-Simulationen durchgeführt, um die Machbarkeit eines LGAD-basierten Strahl-Zeitstruktur-Überwachungssystems für den ERL-Modus zu untersuchen. Um die Einsetzbarkeit von LGADs unter solchen Bedingungen zu bewerten, wurde eine Simulation mit der vereinfachten Geometrie der potenziellen Messstation erstellt. Diese Simulation zeigte die Machbarkeit eines LGAD-basierten Systems zur Überwachung der 6 GHz Strahl-Zeitstruktur. Außerdem konnte die beste Detektorposition innerhalb der Beschleunigerhalle ermittelt werden. In den kommenden Experimenten am S-DALINAC können die Ergebnisse der Simulationen und das Konzept verifiziert werden.

Schließlich wurde die Machbarkeit des maschinellen Lernens (ML) für die Datenanalyse der LGADs demonstriert. Es wurde gezeigt, dass der ML-Ansatz die für die LGAD-Korrektur erforderliche Datenmenge verringert, ohne die zeitliche Auflösung zu beeinträchtigen. Darüber hinaus kann dieser Ansatz zur Implementierung eines Online-LGAD-Korrekturverfahrens verwendet werden.