Electron beam sizes and lifetimes at MAX II and MAX III

Abstract

The MAX II and MAX III synchrotron light sources at MAX-lab provide synchrotron radiation for experiments in a wide variety of research fields. The synchrotron radiation is emitted by ultra-relativistic electrons circulating in electron storage rings. In this thesis the transverse and longitudinal electron beam sizes and the electron beam lifetime limitations in electron storage rings are discussed and the methods used at MAX-lab to measure them are described. The thesis describes how measurements of the electron beam sizes and lifetimes were used to investigate and improve the performance of MAX III and to evaluate a change in the MAX II vacuum system.



MAX II was the first synchrotron light source to install nonevaporable getter (NEG)-coated dipole vacuum chambers. They were installed in order to test the feasibility of the MAX IV 3 GeV storage ring vacuum design, where NEG-coated dipole chambers are an integral part of the design. From measurements of the lifetime limitations in MAX II it was concluded that NEG-coated dipole vacuum chambers do not appear to have any negative impact on the performance and operation of a synchrotron light source.



A diagnostic beam line was designed and installed in MAX III in order to determine the transverse electron beam profile. The performance of the beam line was investigated by conducting a series of measurements at different beam line settings. There was good agreement between the determined beam sizes for the different settings. The diagnostic beam line was used to determine the horizontal and vertical dispersion and emittance in MAX III at low currents, and an increase in the momentum spread from longitudinal instabilities at higher currents. By adding a second passive Landau cavity to the MAX III radio frequency (RF) system the instabilities were damped in the main window of operation. Measurements of the longitudinal beam size and the induced voltages in the passive cavities agreed well with computer simulations of the triple RF system of MAX III. At high Landau cavity voltages a stable overstretched bunch shape with two regions of phase stability was observed. The lifetime limitations and acceptances in MAX III were determined and the location of a horizontal aperture restriction was identified. Removing the aperture restriction increased the lifetime in MAX III by a factor of two.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

När elektroner som färdas i en hastighet nära ljusets hastighet böjs av i ett magnetfält genereras framåtriktad elektromagnetisk strålning. Denna strålning, som även kallas synkrotronljus, kan användas för att studera strukturer och egenskaper hos olika material. Vid en synkrotronljuskälla, som t.ex. MAX II eller MAX III vid MAX-lab i Lund, cirkulerar elektroner runt i vakuum i en lagringsring. Magneter utmed elektronbanan böjer av och fokuserar elektronstrålen. Synkrotronljuset som elektronerna sänder ut filtreras och fokuseras i strålrör och transporteras till experimentstationer placerade utmed lagringsringen. De flesta som bedriver forskning vid en synkrotronljuskälla kommer dit en kortare tid för att använda sig av synkrotronljuset. För att säkerställa att användarna får bra kvalitet på ljuset behövs goda kunskaper om elektronstrålen som genererar ljuset. I den här avhandlingen beskrivs studier relaterade till elektronstrålens egenskaper i MAX II och MAX III, med fokus på elektronstrålens storlek och livstid.



Ett diagnostikstrålrör har designats, byggts och installerats i MAX III för att bestämma elektronstrålens bredd och höjd. Strålröret använder sig av synligt synkrotronljus från en av böjmagneterna i MAX III för att skapa en bild av elektronstrålen. Prestandan hos strålröret testades genom att mäta elektronstrålens bredd och höjd för flera olika inställningar på strålröret och verifiera att den uppmätta bredden och höjden inte berodde på strålrörets inställningar. Den uppmätta bredden stämde överens med teoretiska förväntningar.



För att tillföra den energi som elektronerna tappar när de sänder ut synkrotronljus används mikrovågskaviteter. Det varierande fältet i kaviteterna får elektronerna att färdas runt i lagringsringen i separata ansamlingar av elektroner. I MAX III fanns sedan tidigare två olika sorters kaviteter, en aktiv kavitet för att tillföra energi till elektronerna och en passiv kavitet för att öka elektronansamlingarnas längd. Genom att installera en andra passiv kavitet kunde instabiliteter i elektronstrålens bredd och ansamlingarnas längd dämpas. Mätningar av ansamlingarnas längd och fältstyrkorna i kaviteterna visade god överensstämmelse med resultat från datorsimuleringar.



Om elektronerna i en lagringsring har fel energi eller avviker för långt från den ideala elektronbanan kan de slå i vakuumkammaren och förloras, vilket ger upphov till en begränsad livstid hos elektronstrålen. Livstiden i MAX III var lägre än förväntat. De livstidsbegränsande effekterna har mätts upp och den mest begränsande effekten har identifierats. Genom att flytta en felplacerad komponent i lagringsringen några millimeter fördubblades livstiden i MAX III.



Utöver studier av MAX III har mätningar även genomförts vid MAX II, där en ny sorts vakuumkammare har installerats. Mätningar av livstiden och trycket i MAX II före och efter installationen visade att de nya vakuumkamrarna fungerade bra. De positiva erfarenheterna från MAX II är viktiga inför den framtida synkrotronljuskällan MAX IV, där liknande teknik kommer att användas.

• author: Rosborg, Anders
• supervisor: Erik Wallén; Åke Andersson
• opponent: Kuske, Peter, Helmholz-Zentrum Berlin
• organization: MAX IV Laboratory
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Physical Sciences; Natural Sciences
• keywords: Electron accelerator, Storage ring, Synchrotron light source, Synchrotron radiation, Electron beam profile, Emittance, Beam size, Fysicumarkivet A:2012:Hansson, Lifetime, Bunch length, Landau cavities
• pages: 174 pages
• defense location: Föreläsningssal B / Lecture hall B, Fysicum, Lund University
• defense date: 2012-12-20 13:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUNTDX/NTMX--1012--SE
• ISBN: 978-91-7473-398-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 75817818-d45e-44a0-9b5d-3b14687a30cf (old id 3202909)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:23:41
• date last changed: 2018-11-21 20:26:21