Laufende Forschungsarbeiten

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• Beam dynamic simulations for Photo-CATCH

  Bachelorarbeit

  Projekt: Photo-CATCH

  Beschreibung: Für die Testquelle Photo-CATCH ist eine Erweiterung durch eine zusätzliche Elektronenkanone mit kryogenischem Design geplant. Im Zuge dessen muss die vorhandene Strahlführung angepasst werden. Ziel der Arbeit ist die Durchführung von Strahldynamik-Simulationen zur Anpassung und Optimierung der aktuellen Strahlführung an das geplante Design.

  Techniken: Simulation mit ASTRA, Strahldynamik

  Ansprechpartner: Maximilian Herbert, Tobias Eggert

  Bearbeiter/in: Victor Winter

  Betreuer/innen: Prof. Dr. Joachim Enders, Tobias Eggert, M.Sc.

  Tags: Photo-CATCH

• Beam dynamics simulations for the upgraded S-DALINAC injector

  Bachelorarbeit

  A new beta-adapted capture cavity will be installed at the S-DALINAC injector. For a successful commissioning after the installation of the upgrade, detailed studies of longitudinal beam dynamics along the injector are crucial. The dependency of the electron bunch characteristics of the injector on cavity settings as well as input parameters yields important information for the first setup of this accelerator section. Furthermore, the low-energy acceptance will be investigated. Following the obtained set of simulations, the found parameters are planned to be verified experimentally as part of the characterization of the new injector setup.

  Bearbeiter/in: Nina Mackensen

  Betreuer/innen: Prof. Dr. Joachim Enders, Simon Weih, M.Sc.

  Tags: S-DALINAC, Injektor Linacs (AccelencE), Strahldynamik (AccelencE)

• Theoretische und Experimentelle Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Beschleunigungsspannung und Eindringtiefe von Ionen in GaAs kathoden

  Theoretical and experimental investigations of ion back bombardment as a function of accelerating voltage.

  Bachelorarbeit

  Zur Produktion von polarisierten Elektronen eignen sich GaAs Kathoden. Deren Lebenszeit ist jedoch durch eine benötigte beschischtung, die während des Betriebes langsam zerstört wird begrenzt. Einer der Limitierenden Faktoren ist dabei das sogenannte Ion-Back-Bombardment. Bei diesem werden Restgasmoleküle durch die extrahierten Elektronen ionisiert und durch die angelegte Spannung zurück auf die Kathode beschleunigt. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit soll die Abhänigkeit dieses effektes von der angelegten Beschleunigungsspannung untersucht werden. Dazu werden systematisch mehrere Simulationen durchgeführt, die berechnen wie viele Ionen erzeugt werde und welche Eindringtiefe in die Kathodenoberfläche diese besitzen. Diese Ergebnisse sollen mit Experimentellen Beobachtungen am Teststand Photo-Catch verglichen werden.

  Bearbeiter/in: Julian Schulze

  Betreuer/innen: Prof. Dr. Joachim Enders, Maximilian Herbert, M.Sc.

  Tags: Photo-CATCH, Elektronenquellen und Photokathoden (AccelencE)

• Entwicklung eines Bunchlängen-Messsystems am Injektor des S-DALINAC

  Development of a bunch length measuring system on the injector of the S-DALINAC

  Masterarbeit

  Die Realisierbarkeit einer Deflektorkavität zur Messung von Bunchlängen im Pikosekundenbereich am supraleitenden Elektronenlinearbeschleuniger S-DALINAC der TU Darmstadt wird in dieser Arbeit behandelt. Dazu wurde eine simple Kavität in CST Studio Suite simuliert, die unter den Randbedingungen am S-DALINAC optimal ist. Das elektromagnetische Feld im Inneren des Hohlraumresonators wurde in Strahldynamiksimulationen mit den Programmen ASTRA und elegant verwendet, um die Auswirkung verschiedener Strahlparameter auf die Bunchlängenmessung zu betrachten und zu beurteilen, ob eine Umsetzung der Messung möglich ist. Dabei konnte festgestellt werden, dass ein Quadrupolmagnet zur Verbesserung der Genauigkeit der Messung notwendig ist und zusammen mit dem Deflektor entwickelt und gebaut werden soll. Nach der Abstimmung der Kavität sollen in Zukunft die Elemente eingebaut und zur Bestimmung der Bunchlänge verwendet werden.

  Bearbeiter/in: Adrian Brauch B.Sc.

  Betreuer/innen: Prof. Dr. Joachim Enders, Simon Weih, M.Sc.

  Tags: S-DALINAC, Injektor Linacs (AccelencE), Strahldynamik (AccelencE)

• Laser Compton Rückstreu-Quelle am S-DALINAC

  

  Promotion

  Ein Hochleistungslasersystem soll im Zusammenspiel mit dem am Institut für Kernphysik der TU Darmstadt betriebenen supraleitenden Darmstädter Elektronenlinearbeschleuniger S-DALINAC als Quelle für quasi-monochromatische Röntgenstrahlung auf Basis des so genannten Laser-Compton-Backscatterings integriert werden.

  Ziel ist es die Entwicklung der LCB-Quellen im Zusammenhang mit Linearbeschleunigern mit Energierückgewinnung voranzutreiben und zudem eine Möglichkeit der zerstörungsfreien Strahldiagnose am S-DALINAC zur Beschleunigerentwicklung und für kernphysikalische Experimente einzurichten.

  Bearbeiter/in: Maximilian Meier M.Sc.

  Betreuer/innen: Prof. Dr. Joachim Enders, Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Norbert Pietralla

  Tags: Laser & Diagnostik, Laserentwicklung, S-DALINAC, Strahldynamik (AccelencE), Strahl-Target-Interaktion (AccelencE)

• Investigations of Cathode preparation methods for spin polarized source

  Masterarbeit

  Zum Betrieb der Quelle polarisierter Elektronen müssen die GaAs-Kathoden gereinigt und mit einer dünnen CsO-Schicht versehen werden. Man kann hierzu verschiedene Strategien anwenden. Ziel der Arbeit ist eine systematische Untersuchung des aktuellen Reinigungs- und Aktivierungsverfahrens und die Analyse der Auswirkungen auf Quanteneffizienz, Lebensdauer und eventuell Polarisationsgrad der Kathode.

  Projekt: Photo-Catch, SPIN

  Beschreibung:

  Auf Galliumarsenid (GaAs)-Photokathoden basierende Elektronenquellen können zur Erzeugung von spinpolarisierten Elektronenstrahlen hoher Intensität für eine Vielzahl von Anwendungen dienen. Dabei wird die GaAs-Oberfläche von einer dünnen Schicht, typischerweise bestehend aus Cäsium und einem Oxidant, bedeckt, um eine negative Elektronenaffinität (NEA) zu erreichen. Dadurch wird eine höhere Quantenausbeute erreicht. Diese hochreaktive Schicht wird selbst in guten Vakuumbedingungen durch Lagerung und Strahlbetrieb zersetzt. Für einen möglichst effektiven und reibungslosen Betrieb einer solchen Elektronenquelle an einem Teilchenbeschleuniger, ist eine möglichst lange Schichtlebensdauer essentiell. Sowohl die Quantenausbeute als auch die Schichtlebensdauer hängen von der Herstellungsprozedur der NEA-Schicht ab.

  In dieser Arbeit wird eine solche Aktivierungsprozedur am Photo-CATCH Teststand hinsichtlich Quantenausbeute und Lebensdauer optimiert. Außerdem sollen im Rahmen dieser Arbeit Aktivierungen mit Lithiumeinsatz untersucht werden. Dadurch soll eine reproduzierbare optimale Prozedur zur Bildung der NEA-Schicht ermittelt werden.

  Techniken: LabVIEW, Datenauswertung, Vakuumtechnik, Lasersysteme

  Ansprechpartner: Maximilian Herbert, Yuliya Fritzsche

  Bearbeiter/in: Vincent Wende

  Betreuer/innen: Prof. Dr. Joachim Enders, Maximilian Herbert, M.Sc.

  Tags: SPIN, Photo-CATCH

• First setup for cooled GaAs cathodes with increased charge lifetime

  

  Erster Aufbau einer gekühlten GaAs Kathode mit verbesserter Lebensdauer

  Promotion

  Projekt: Photo-CATCH

  Beschreibung: GaAs Photokathoden können als Quelle hoch polarisierter Elektronen verwendet werden. Um einen zuverlässigen Einsatz für Anwendugen mit hohen Stömen zu gewährleisten ist eine verbeserung der Lebensdauer notwendig. Um das lokale Vakuum um die Kathode zu verbessern soll ein kryogenes Untervolumen verwendet werden. Es wird erwartet, dass durch kryogenes Pumpen die Lebensdauer der NEA (negativ-electron-affinity) Beschichtung führt. Zusätzlich ermöglicht das Kühlen der Kathode selber eine höhere Lasereleistung, die für höhere Elektronenströme nötig ist.

  Umsetzung und erste Messungen sind am Teststand Photo-CATCH an der TU Darmstadt geplant, um die Eigenschaften einer solchen neuen Quelle zu bestimmen. Unterstützt in Teilen vom BMBF (05H18RDRB1) und DFG (RTG 2128 “Accelence”)

  Ansprechpartner: Tobias Eggert

  Bearbeiter/in: Tobias Eggert M.Sc.

  Betreuer/innen: Prof. Dr. Joachim Enders, Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Norbert Pietralla

  Tags: Photo-CATCH, Elektronenquellen und Photokathoden (AccelencE)

• Injector Optimization at the superconducting Darmstadt linear electron accelerator S-DALINAC

  

  Promotion

  A successful establishment of the new ERL mode currently under development at S-DALINAC requires an improved beam quality of the injector, especially in regard to bunch length and energy spread. Furthermore, to re-enable an usage of the spin-polarized photo-gun, the low-energy acceptance has to be expanded. To address these issues, the first superconducting injector cavity will be replaced by a beta-adapted capture structure in order to improve the acceleration of electrons from the normal-conducting low-energy transport section. The project focuses on the technical implementation of the upgrade, including cavity manufacturing, modifications of the cryomodule, testing, installation and commissioning of the structure. Additionally, a new diagnostics beamline was installed upstream of the capture cavity. This setup allows for an detailed characterization of the bunches entering the superconducting injector, which supports refined beam dynamics simulations and a reliable setup of the machine.

  The project is in the final phase before completion, with the cavity ready for installation and the diagnostics line commissioned. First beam in the upgraded injector is expected in spring 2021.

  Bearbeiter/in: Simon Weih M.Sc.

  Betreuer/innen: Prof. Dr. Joachim Enders, Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Norbert Pietralla

  Tags: S-DALINAC, Injektor Linacs (AccelencE), Strahldynamik (AccelencE)

• Investigation of electron bunch emission from GaAs-based photo-cathodes

  Promotion

  Spin-polarized DC electron sources based on Gallium Arsenide (GaAs) photo-cathodes can be used to supply high current electron beams for energy-recovery linacs (ERLs). In order to meet the high demands required for ERL operation, the aim of technological developments is, among others, to improve beam emittance and stability by optimizing the electron bunch emission from GaAs cathodes.

  This project has two main goals. The first is to conduct systematic studies on photo-emission properties of GaAs photo-cathodes at Photo-CATCH, with a focus on quantum efficiency, lifetime and beam emittance. The dependencies of these properties on other parameters such as gun voltage and cathode activation methods are thoroughly investigated. The second goal is to adapt and optimize the inverted-insulator gun geometry (IIGG) design for an upgrade to 300 kV operational voltage, aiming to upgrade Photo-CATCH and implement the gun design at the S-DALINAC Polarized Injector. The design process focuses on minimizing the maximum field gradient on the gun-electrode surface, as well as optimizing emission parameters such as emittance and energy spread.

  A preliminary studiy on cathode activation involving Lithium has been conducted at the Upgraded Injector Test Facility (UITF) of the Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab), yielding increased quantum efficiency and lifetime for Li-enhanced activation. Additional studies are currently under preparation at Photo-CATCH.

  The upgraded gun geometry has been optimized in collaboration with AG Schöps (TEMF) using isogeometric analysis (IGA), as well as particle tracking with ASTRA.

  Supported by BMBF (05H18RDRB1) and DFG (RTG 2128 “Accelence”).

  Bearbeiter/in: Maximilian Herbert M.Sc.

  Betreuer/innen: Prof. Dr. Joachim Enders, Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Norbert Pietralla

  Tags: SPIN, Photo-CATCH, Lasersysteme für SPIN & Photo-Catch, Elektronenquellen und Photokathoden (AccelencE)