Measuring longitudinal bunch profiles using Time-Correlated Single-Photon Counting at MAX IV Laboratory

Abstract

MAX IV laboratory is a modern synchrotron light source, providing synchrotron radiation for a wide array of research groups. To provide users with high-quality synchrotron radiation, the electron beam from which the synchrotron radiation stems needs to be well understood. This thesis describes a first implementation of time-correlated single-photon counting (TCSPC) as a tool to measure longitudinal bunch profiles of the electron beam. An overview of the measurement system is given, and the data
analysis process is discussed. In this thesis, the focus of data analysis was to compensate for timing jitter caused by the various components in the measurement system.

TCSPC, in theory, offers significant advantages over established methods to measure longitudinal bunch profiles at MAX IV, namely that it allows for measurements of all bunches’ profiles in a storage ring simultaneously, without light from different bunches interfering. To implement TCSPC as a measurement tool at MAX IV, a number of steps were taken. The photon detector timing jitter (or transit time spread, TTS) in dependence of wavelength of incoming synchrotron light was determined.
For further measurements, a bandpass filter was used with the detectors to minimize their TTSs. Furthermore, the detector TTSs were characterized using measurements involving short laser pulses. The most important measurements within this work, however, were measurements taken to determine the TTS of the measurement system as a whole. This was done by use of a known bunch profile, which allows the extraction of the system TTS from raw data. Once determined, the system TTSs were used as a correction to measurements of electron beams under different conditions, to test
the viability of the TCSPC setup.

The overall conclusion is that a first approach to TCSPC has been successfully implemented at MAX IV. Compared to conventional measurement techniques of longitudinal bunch profiles, such as using a streak camera, TCSPC measurements offer the advantage that light from adjacent bunches does not overlap, meaning that bunch profiles can be studied individually. Furthermore, the intra-bunch resolution is superior to that of the streak camera, and TCSPC measurements are significantly less noisy than streak camera measurements. The implementation of TCSPC as it stands has a number of limitations, however, mainly that it is not entirely clear whether the determined system TTSs are fully independent of measured bunch profiles.

Popular Abstract (Swedish)

I en så kallad synkrotronljuskälla utvinns synkrotronljus från elektroner som färdas runt en lagringsring i nära ljusets hastighet. Detta ljus kan användas för att bedriva olika sorters experiment med syftet att studera strukturer och egenskaper hos olika material. MAX IV i Lund är en modern synkrotronljuskälla, där synkrotonljuset används av många olika forskargrupper med lika många intressen och inriktningar. För att hålla elektronstrålen på en näst intill cirkelrund omloppsbana i lagringsringen används magneter, som böjer elektronernas bana efter behov. Magneterna är utplacerade med regelbundna avstånd utmed lagringsringen. Det är i magnetfälten dessa magneter skapar som de förbifarande elektronerna avger synkrotronljus. Ljuset kommer i en tunn stråle, som leds vidare till olika forskargruppers experimentella uppställningar där de utför mätningar. En viktig uppgift för de anställda på MAX IV (och ibland studenter)
är således att säkerställa att ljuset håller god kvalitet samt att det uppfyller de krav användarna ställer. För att kunna utföra denna uppgift krävs det att de ansvariga på MAX IV har en god förståelse om den elektronstråle synkrotronljuset kommer från. Därav finns ett ständigt behov av att förbättra och utveckla nya metoder för att mäta elektronstrålens egenskaper. Elektronstrålen i sig består inte av en jämn fördelning elektroner, utan är indelad i växelvis tomma respektive elektronfyllda avsnitt.
Således finns elektroner i lagringsringen i ansamlingar, som är mycket korta. I denna uppsats beskrivs implementeringen av en (på MAX IV) ny mätningsmetod för att beskriva dessa elektronansamlingars tidsmässiga fördelning utmed deras rörelseriktning (s.k. longitudinell profil). Det vill säga hur elektronansamlingarna ser ut ifall man betraktar dem i förbifarten.

Principen bakom den metod som implementerats kan beskrivas så här: den nya mätuppställningen fungerar som ett stoppur som mäter fördröjningen mellan en extern startsignal och en ljuspartikels ankomst till en detektor. Elektronerna längre fram i en ansamling fram avger ljus tidigare än elektronerna längre bak, vilket möjliggör det att skilja på var i en ansamling elektroner befinner sig genom att mäta denna fördröjning. Därutöver, ju fler elektroner i en ansamling när de böjs av en magnet,
desto mer synkrotronljus kommer elektronansamlingen att avge. Detta innebär att det går att avgöra var i en elektronansamling det finns fler eller färre elektroner, genom att räkna antalet ljuspartiklar som ankommer till detektorn med en viss fördröjning. Tillsammans kan dessa två egenskaper användas för att återskapa en elektronansamlings longitudinella profil.

I teorin är denna mätningsmetod lovande i jämförelse med befintliga metoder på MAX IV. Med denna metod kan alla elektronansamlingars profiler i hela lagringsringen mätas samtidigt och individuellt. Detta är en fördel gentemot befintliga metoder, som antingen har nackdelen att de bara kan mäta en ansamlings profil i taget, eller att närliggande profiler påverkar varandra under mätningens gång. Det huvudsakliga
arbetet med att implementera denna nya metod låg i att avgöra hur de olika komponenterna i mätuppställningen påverkade mätningarna och att kompensera för dessa inverkningar.

I slutändan lyckades en grundläggande implementering av denna metod, med vissa anmärkningar. I överensstämmelse med teorin så har data från mätningarna fördelen att alla profiler kan mätas samtidigt och var för sig. En viktig anmärkning är att förståelsen kring hur komponenterna påverkar mätningarna är ofullständig. I synnerhet är förståelsen kring varje enskild komponents påverkan inte fullständig. Även om inte de enskilda komponenternas effekter kunde bestämmas, så kunde hela mätuppställningens
sammanlagda påverkan bestämmas, vilket är den metod som implementerats för att kunna producera så exakt data som möjligt.

• author: Schmand, Johann
• supervisor: Francesca Curbis; Miriam Brosi
• organization: Department of Physics; Synchrotron Radiation Research
• course: FYSK04 20241
• year: 2024
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: TCSPC, Bunch Profiles, Beam Diagnostics
• language: English
• id: 9164187
• date added to LUP: 2024-06-18 09:05:16
• date last changed: 2024-06-18 09:05:16