Strahlführung (Beispiel MAMI):

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1 Strahlführung (Beispiel MAMI): Klystron, ~GHz, Mikrowellen (~cm) Cu-Kavität, 1 MV/m 1

2 Supraleitende Kavität (Beispiel: Cebaf am Jlab) 2 Niobium (Multi-) Kavitäten Cebaf (6 GeV): 2x160 Kavitäten, GHz, 2 K (flüssig He), MV/m, damals $/Stück Für hohe Strahlenergie: hohe Gradienten notwendig! Rekord: 40 MV/m (Tesla) für cw 47 MV/m Cornell University serienmässig möglich: MV/m Problem: magnetisches Feld an der Oberfläche heizt die Kavität auf Reinraum: Oberfläche ultra-glatt (mm-level), geschrubbt mit 100 bar Wasserstrahl + Chemie. hohes Q: mit Last ~10 7 ( Leistungsverlust) intrinsisch ~10 10 ( ohmischer Verlust) für ILC: Nb Kavitäten nötig, = 500 t Nb = 4 Jahres-Produktionen = 300 M$ (15 k$/stück) 2

3 3 CEBAF Upgrade - 10 neue Cryomodule (C100) mit je 8 Kavitäten (~ 19.2 MV/m), getestet bis 27 MV/m (nominal) - erst Eigenentwicklung, dann bestellt bei Research Instruments (RI), Deutschland Tuner Verluste RF

4 Verschiedene Arten von Elektronbeschleunigern linearer Beschleuniger: LINAC (Saclay, SLAC) um die Anzahl der Kavitäten klein zu halten (= Länge des Linacs) hoher Feldgradient : x MeV/m grosse Verluste, Aufheizung Konsequenzen: - gepulste Maschine - kleiner duty cycle: 10-4 bis grosse Energieunschärfe 10-3 bis 10-2 Linac-Stretcher: NIKHEF um Linac zu verbessern, Erweiterung mit stretcher ring - Extraktion zu den Experimenstrahllinien während des Füllzyklus möglich - duty cycle: 0.8 Linac + Speicherring: Bates Ansammeln von vielen Pulsen - guter duty factor - Strahl im Speicherring of 200 ma, Experimente im Speicherring dünne Targets 4p Detektoren 4

5 Mainzer Mikrotron (seit 1990) vermeidet eine grössere Anzahl von Kavitäten max. 100 ma Strom 80 % 30 ma exzellente Strahlqualität 855 MeV Elektronstrahl (MAMI B) seit Dez MAMI C: 1500 MeV (HDSM) 5

6 Prinzip des Mikrotron 6

7 7 Eigenschaften: 1) starke longitudinale Fokussierung nehme an, dass Teilchen früher ankommt als das Referenzteilchen bekommt mehr Energie hat längeren Weg zurückzulegen braucht längere Zeit nähert sich dem Referenzteilchen

8 2) transversale Fokussierung Randfeld an den Polkappen führt zu vertikaler Defokussierung Kompensation durch Feldstreifen umgekehrter Magnetfeldrichtung zusätzliche Feldstreifen Quadrupolpaar (nur im Linac) zusätzliche Elemente für vertikale und horizontale Fokussierung Vorteil: nur einmal im Linac vorhanden Emittanz: e h = 8 nm rad, e v = 0.5 nm rad 8

9 Emittanz: Phasenraumfläche von einem Ensemble von Teilchen x Strahl: a x a z In der Praxis interessiert das Phasenraumvolumen x a y b Verschiedene Definitionen von Emittanz: 95% Emittanz: 95% der Teilchen innerhalb des Phasenraumvolumens +/- 2 sigma bei gaussförmiger Strahlverteilung RMS (root-mean-square) Emittanz Die Emittanz gibt die Strahlqualität an. Satz von Liouville: Emittanz ist Erhaltungsgrösse aber die Form der Ellipse kann sich entlang des Strahlweges ändern 9

10 x [mrad] Horizontale Strahlellipse im RTM3 nach jedem 10. Umlauf x [mm] Fokussierende Wirkung des Quadrupoldupletts nimmt mit 1/E 2 ab. 10

11 11 Dipolfeld wird homogenisiert mit Oberflächenkorrekturspulen B 3 B B o B o

12 12 MAMI-B: 3 Mikrotrone 855 MeV konventionelle Eisenjoche normalleitende Cu-Kavitäten ( f RF = 2.45 GHz): nur 1 MV/m (7.5 MeV/turn)

13 RTM 3 13

14 14 Harmonisches doppelseitiges Mikroton (HDSM): MeV man behält die Vorteile eines Mikrotons(gute Strahlqualität, kleine Emittanz) vermeidet 6 mal grössere Magnete (je 2000 t)

15 Anforderung: genügender Energiegewinn pro Runde muss in die Halle passen doppelte RF Frequenz: 4.9 GHz (Kühlungsprobleme bei 2 x 2.45 GHz) Phasenraum bei der Injektion und nach der Extraktion instabil für kleine Phasenabweichungen stabil 15

16 Kompensation des Randfeldes Dipol mit Feldgradient divergent: fokussierend: äussere innere Region Orbits Jochkante Nachteil: Verringerung des magnetischen Feldes Abnahme des Energiegewinns pro Runde Phasenänderung pro Turn wegen dynamischer Kohärenzbedingung 16

17 Energiegewinn per Runde im Mittel: 15 MeV/turn 43 x 15 MeV MeV = 1500 MeV statt maximal 43 x 16.7 MeV MeV = 1573 MeV 17

18 Kavitäten: Kupfer, ~ 1MV/m 4.9 GHz: Neuentwicklung 2.45 GHz: Standard HDSM Magnet, 250 t, während der Installation Korrekturmagnete Dipol 4 Dipol 3 Injektion 18

19 19 Noch viele Elemente im Beschleuniger: Strahldiagnostik: Lumineszenzmonitore (ZnS-Schirme) - Position + Profil - einfach, invasiv Scanner: Position + Profil, invasiv TM 110 Cavity: Position, nichtinvasiv TM 010 Cavity: Phase, nichtinvasiv Synchrotron Radiation Monitor: Position + Profil Strom-/Energiemessung: Faraday Cup: Strom absolute Energiekalibration TOF Messung

20 Cebaf (Continuous electron beam accelerator facility) 20 A B C -Strahl gepulst mit GHz (Strahlbunch) -3 Hallen werden gleichzeitig bedient -2 ns Zeitstruktur in Hallen Energieauflösung: ~10-4 pa bis ~100 ma, polarisiert (80%), bis zu 6 GeV

21 21 Blick in Hall C (vor Upgrade): HMS, supraleitend, QQQD, bis 7 GeV/c SOS, QDD, bis 1.7 GeV/c Kryotarget

22 2 Spektrometer in Hall C: 22 e p SOS HMS e bis 6 GeV Target 46 m Zeitstruktur in Halle C gemessen als Koinzidenzzeit zwischen 2 Spektrometer N ij u.g. 2ns N ij N ij u.g. FWHM: 0.5 ns nach Anwendung von Korrekturen: Flugweg PM Zeitoffsets Szintillatortrefferposition

23 23 Setup in HallC: Eisenmagnet D D SOS GeV/c p Detektorsystem HMS GeV/c e GeV Target Q Q Q D Kollimator supraleitender Magnet, Quadrupol: fokussierend/defokussierend Performance: HMS SOS Impulsspanne (GeV): Akzeptanz d (%): ± 10 ± 15 p = p o (1 + d) Raumwinkel (msr): Targetakzeptanz (cm): ± 7 ± 1.5 e Detektorsystem

24 CEBAF: 1994/95 doppelseitiges Mikrotron, superleitende Nb Kavitäten bei 2K, MeV/m - hohes Q ~10 6 kleine Verluste Arc (Energiestufen für GeV) 2200 Magnete, 58 verschiedene Energie: GeV Unschärfe: Strom: ma (A & C), 1nA 1mA (B) Spot am Target: > 50 mm Divergenz: < 100 mrad 24

25 25 Physikalische Motivation: Struktur der Nukleonen: Formfakoren, GPD s Information über Impuls- und Ortsverteilung der Quarks Wie kann die N-N Wechselwirkung (phänomenologisch als Austausch von Mesonen parametrisiert) auf die darunterliegende Quark-Gluon Struktur zurückgeführt werden? Confinement der Quarks verstehen: lattice QCD: Quarks werden durch Flux tubes zusammengehalten Messe Spektrum der gluonischen Anregung von exotischen Mesonen (=Glueballs: Mesonen ohne Quarks) Paritätsverletzende Experimente hoher Genauigkeit, um (mögliche) Abweichungen vom Standardmodell festzustellen, Neue Physik

26 Cebaf 12 GeV upgrade: Start 2009 April 2014: 12 GeV Teststrahl neue Halle D 12 GeV 20 alte Cryomodule 5 neue Cryomodule doppelte LHe Kapazität Upgrade Magnete und Versorgung 11 GeV Neuer Arc 20 alte Cryomodule 5 neue Cryomodule mit je 8 Kavitäten getestet bis 27 MV/m neue Detektoren Im Prinzip noch auf 24 GeV erweiterbar 26

27 Super High Momentum Spectrometer (SHMS) 27

28 28 Super High Momentum Spectrometer (SHMS) Central Momentum: 2 to 11 GeV/c Momentum Acceptance: -10% < δ < +22% Momentum Resolution: 0.03%-0.08% Scattering Angle: 5.5 to 40 Vertex Length (90deg): 30cm Horizontal acceptance: +/- 24mrad Vertical acceptance: +/- 40 mrad Solid angle acceptance: 4.0 msr Horizontal resolution (YPtar): mrad Vertical resolution (XPtar): mrad Vertex length res (Ytar): cm