Accelerator physics studies of the MAX-lab storage rings

Abstract

Within research, synchrotron radiation is a highly useful probe for the study of materials, their properties and structures. Currently, no other radiation source allows the combination of high intensity and short wavelengths.

The 3rd generation light sources currently in use for the production of synchrotron radiation are however considerable investments: for already existing facilities this makes it important to ensure high operational reliability as well as good performance. For facilities in planning, such as the MAX IV light source, extensive design studies are of essence to meet target performance.

The main subject of this thesis is the performance, characterisation and tuning of the existing MAX II and MAX III light sources at the MAX-laboratory, one of two national research facilities in Sweden.

The MAX II storage ring, in operation since 1995, was characterised using response matrix analysis, bunch spectrum analysis and transverse beam profile measurement. In particular, some at the time of building unconventional technology solutions were evaluated: combined quadrupole-sextupole magnets, non-zero dispersion in straight sections and common girders for all magnets in one cell.

The MAX III storage ring, commissioned in 2007 and starting synchrotron radiation production in late 2008, was characterised using response matrix and bunch spectrum analysis. Further, measurements were carried out of the betatron tunes, chromaticities, beam lifetime, magnets, pole-face strips as well as the RF parameters. Accurate characterisation of MAX III served dual purposes: improvement of MAX III performance and evaluation of new accelerator technology intended also for the MAX IV project.

Initial MAX III operational experience showed that the dipole magnets used for orbit correction frequently saturated. To remedy this problem, the ring was realigned using the beam as a reference. The data required was the corrector magnet strengths.

The thesis also encompasses some Intrabeam Scattering studies for two versions of a prototype multi-bend achromat lattice: a 12 cell and a 20 cell version. The lattice was designed for low-emittance light sources and is used as the basis of the MAX IV storage ring.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Synkrotronstrålning genereras när laddade partiklar som färdas med relativistiska hastigheter böjs av i ett magnetfält. Under accelerationen som böjningen utgör genereras synkrotronstrålning i en smal kon i partikelns framåtriktning. Denna fotonstrålning är intensiv och utgör en användbar prob inom materialforskningen. Genom att belysa material med synkrotronstrålningen, som omfattar våglängder från det infraröda till hårdröntgen, går det att studera strukturer och egenskaper för olika material. Synkrotronstrålning är speciellt värdefullt då det i skrivande stund inte finns något alternativ som tillhandahåller samma kombination av hög intensitet och korta våglängder.

Av de olika acceleratoranläggningar som finns idag för produktion av synkrotronstrålning är de flesta av 3:e generationen. Dessa acceleratorer är lagringsringar för elektroner, med magnetiska insättningselement för ytterligare synktronstrålningsproduktion. Den genererade strålningen leds ut till experimentstationer där forskargrupper kan göra experiment.

Dessa acceleratoranläggningar utgör dock en avsevärd investering. På grund av detta är det av intresse att undvika driftstopp och att det är god kvalitét på den genererade strålningen. För anläggningar som är i planeringsstadiet genomförs omfattande designstudier för att i möjligaste mån säkerställa prestanda.

Arbetet bakom denna avhandling har bedrivits på den nationella anläggningen MAX-lab, som har tre synkrotronljuskällor i drift; MAX I, MAX II och MAX III. En fjärde anläggning, MAX IV, är i planeringsstadiet. Avhandlingens fokus ligger på karaktärisering av MAX II och MAX III, dels för att samla information användbar för drift och underhåll, dels för att utvärdera de teknologiska lösningar som nyttjats i acceleratorernas konstruktion. Det sistnämnda har ett speciellt värde i fallet MAX III, då syftet med ringen förutom synkrotronstrålningsproduktion även omfattar driftstest av acceleratorteknik avsedd för MAX IV. Denna teknik inbegriper bl.a. magneter avsedda för både fokusering och böjning av strålen; två funktioner som normalt sköts av separata magneter.

Under karaktäriseringsarbetet av MAX III upptäcktes ett problem där systemet för styrning av strålbanan överbelastades. Detta avhjälptes framgångsrikt genom att positionera om acceleratorns magneter med hjälp av elektronstrålen som referens. Metoden som användes och det slutgiltiga resultatet ligger även det till grund för avhandlingen.

Slutligen omfattar avhandlingen även simuleringar av Coulombspridning inom en elektronstråle. Simuleringarna gjordes med befintlig mjukvara, framtagen på CERN, för en preliminär acceleratordesign som nu ligger till grund för MAX IV. Coulombspridning, d.v.s. elastiska kollisioner mellan elektroner i strålen, leder till att strålen blåses upp. Detta skulle resultera i försämrad prestanda för experimentstationerna och hur stor denna effekt teoretiskt är behövde därför utvärderas.

• author: Sjöström, Magnus
• supervisor: Erik Wallén; Lars-Johan Lindgren
• opponent: Dr. Papaphilippou, Yannis, BE/ABP, CERN
• organization: MAX IV Laboratory
• publishing date: 2009
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Natural Sciences; Physical Sciences
• keywords: Electron accelerator, linear optics, storage ring, characterisation, synchrotron radiation, emittance, intrabeam scattering, electron beam profile
• pages: 154 pages
• defense location: Föreläsningssal B / Lecture theatre B, Fysicum, Lund University
• defense date: 2009-06-03 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUNTDX-NTMX--1008--SE
• ISBN: 978-91-628-7793-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 77e8e741-d44b-41b2-9435-2a4a499cfff7 (old id 1392882)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:29:39
• date last changed: 2018-11-21 20:53:30