Timing Modes for the MAX IV Storage Rings

Abstract

The MAX IV facility includes two storage rings, operated at 1.5 and 3 GeV energy, for the purpose of producing high-brilliance synchrotron radiation for users. The 1.5 GeV ring replaces the previous MAX II and MAX III storage rings as a source of UV and soft X-rays, whereas the 3 GeV ring is optimized for hard X-rays. The 3 GeV ring is the first of a new generation of synchrotron light storage
rings which employs multibend achromat lattices to achieve ultralow emittances
of a few hundred pm rad or below. Both rings were designed to operate with a uniform, multibunch fill pattern utilizing a 100 MHz RF system, resulting in a light repetition rate of 100 MHz. However, the MAX IV user community has initiated a discussion about timing modes at the rings and several research areas have been identified that require kHz - few MHz repetition rates. At many synchrotron light storage rings this is currently achieved by operating fill patterns with gaps of sufficient length for beamline choppers or gated detectors. This is not favorable for the MAX IV storage rings since they employ passive harmonic cavities to damp instabilities, increase Touschek lifetime, reduce heating of vacuum components and conserve the emittance at high bunch charge by lengthening the electron bunches. Studies at other storage rings have shown that fill patterns with gaps reduce the achievable bunch lengthening
and can drastically decrease the effectiveness of the harmonic cavities. This is of special concern for ultralow emittance rings since they have more demanding constraints to achieve stable beam, sufficient Touschek lifetime, acceptable heat load and low emittance at high bunch charge. This thesis presents research conducted to study possibilities of serving timing users that demand other light repetition rates than provided by the RF system at the MAX IV storage rings and
other similar machines. Operation with fill patterns with gaps are studied as well as two methods, Pulse Picking by Resonant Excitation (PPRE) and Pseudo-Single-Bunch (PSB), that have the potential to serve timing and high-brilliance users simultaneously without requiring gaps in the fill pattern.

Abstract (Swedish)

MAX IV-laboratoriet är en anläggning med syfte att producerasynkrotronljus till forskning. När laddade partiklar accelereras skickar de ut energi i form av strålning kallad synkrotronljus. Synkrotronljus är intensivt ljus med många olika våglängder och är därför väldigt användbart för att studera strukturer och processer inom många olika fält såsom materialforskning, medicin, geologi och arkeologi. Mest synkrotronljus produceras av partiklar med liten massa som rör sig i en cirkulär bana. Laboratoriet har därför två cirkulära partikel acceleratorer kallade lagringsringar där elektroner cirkulerar i timmar allt medan de producerar ljus till experimentstationer placerade utmed ringarna. För att elektronstrålen ska kunna cirkulera så länge måste energin partiklarna förlorar som ljus kompenseras så att strålen håller konstant energi. Detta görs med så kallade radiofrekvenskaviteter (RF-kaviteter) placerade på specifika platser i ringarna. Kaviteterna innehåller ett elektromagnetiskt fält som tillför elektronerna energi varje gång de passerar. På grund av fältet samlas elektronerna i paket, kallade buncher, med 10 nanosekunders intervall. Det gör att synkrotronljuset även kommer att skickas ut i pulser med samma intervall. Tidsstrukturen hos synkrotronljuset utnyttjas av en del experiment för att studera tidsförlopp eller för att använda vissa typer av instrument och metoder. Dessvärre är 10 nanosekunderen för kort period mellan ljuspulserna för många experiment och de kan då behöva gap i ringens fyllnadsmönster, d.v.s. att man inte fyller elektroner i alla buncher utan lämnar vissa tomma och på det sättet får en längre tid mellan ljuspulserna. MAX IV-ringarna har inte bara RF-kaviteter för att kompensera elektronernas energiförlust utan också så kallade harmoniska kaviteter för att göra elektronbuncherna längre. Detta har många fördelar: det tar längre tid innan så många elektroner har tappats från strålen att man måste fylla på med nya, värmebelastningen på det vakuumrör strålen färdas i blir mindre, strålen blir mer stabil samt man minskar elektronernas interaktion med varandra så strålens transversella storlek kan hållas liten, vilket i sin tur ger liten och mer intensiv ljusstråle. De harmoniska kaviteterna är nödvändiga för att ringarna ska fungera optimalt. De harmoniska kaviteterna är passiva, vilket innebär att strålen ger upphov till ett fält i dem som i sin tur påverkar strålen tillbaka. Genom att modifiera kaviteternas resonansfrekvens är det möjligt att styra hur det inducerade fältet påverkar strålen och optimera hur mycket buncherna förlängs. Eftersom kaviteterna är passiva så påverkas fältet i dem också av ringens fyllnadsmönster och ett gap i mönstret ger upphov till effekter som gör att bunchförlängningen blir mindre. MAX IV-ringarna är därför designade för ett jämnt fyllnadsmönster med lika mycket laddning i alla buncher för att maximera de positiva effekterna av de harmoniska kaviteterna. Nyligen har MAX IVs användare startat en diskussion om möjligheterna för att göra experiment som kräver längre tidsperiod mellan buncherna än 10 nanosekunder. Detta är ämnet för den här avhandlingen. Fyllnadsmönster med gap i MAX IV-ringarna studeras, men även metoder som har potential att kunna ge ljus med längre tidsintervall till vissa användare samtidigt som ringarna körs med ett jämnt fyllnadsmönster för att ge maximalt flöde med ljus till andra användare. Utveckling av sådana metoder är inte bara av intresse för MAX IV utan även för framtida liknande anläggningar som planeras eftersom harmoniska kaviteter blir allt viktigare i takt med att man försöker uppnå allt mindre strålstorlekar och mer intensivt ljus.

• author: Olsson, Teresia
• supervisor: Sverker Werin; Simon Leemann; Åke Andersson
• opponent: Priv.-Doz. Dr. Meseck, Atoosa, Institute Accelerator Physics, Helmholtz Zentrum Berlin, Germany
• organization: MAX IV Laboratory; Synchrotron Radiation Research
• publishing date: 2018
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Accelerator Physics and Instrumentation
• keywords: Synchrotron light storage rings, timing experiments, ultralow emittance, harmonic cavities, fill patterns, PPRE, PSB, Fysicumarkivet A:2018:Olsson
• pages: 173 pages
• defense location: MAX III seminar room, MAX IV Laboratory, Fotongatan 2, Lund
• defense date: 2018-06-11 10:00:00
• ISBN: 978-91-7753-684-0
• ISBN: 978-91-7753-683-3
• project: Timing Modes for the MAX IV Storage Rings
• language: English
• LU publication?: yes
• id: daf0b3c4-3e4d-4d81-929b-837dfac37661
• date added to LUP: 2018-05-09 13:43:37
• date last changed: 2018-11-21 21:39:46