Advanced

Emittance related topics for fourth generation storage ring light sources

Breunlin, Jonas LU (2016)
Abstract (Swedish)
Vi vet att laddade partiklar sänder ut elektromagnetisk strålning då de tvingas följa en krökt bana. Denna strålning kallas synkrotronstrålning, och upptäcktes i mitten av 1900-talet. Sedan dess har denna typ av strålning funnit tillämpningar inom flera forskningsområden såsom kemi, biologi, medicin och materialvetenskap. För att uppfylla de växande kraven på vissa strålningsegenskaper, är partikelacceleratorer, designade att producera synkrotronljus, under ständig utveckling. Med MAX IV Laboratoriet i Lund, Sverige, och dess 3 GeV lagringsring synkrotronljuskälla, har ett koncept som reducerar elektronstrålens emittans avsevärt, för första gången realiserats. En låg emittans är en viktig parameter, eftersom den möjliggör för forskarna att... (More)
Vi vet att laddade partiklar sänder ut elektromagnetisk strålning då de tvingas följa en krökt bana. Denna strålning kallas synkrotronstrålning, och upptäcktes i mitten av 1900-talet. Sedan dess har denna typ av strålning funnit tillämpningar inom flera forskningsområden såsom kemi, biologi, medicin och materialvetenskap. För att uppfylla de växande kraven på vissa strålningsegenskaper, är partikelacceleratorer, designade att producera synkrotronljus, under ständig utveckling. Med MAX IV Laboratoriet i Lund, Sverige, och dess 3 GeV lagringsring synkrotronljuskälla, har ett koncept som reducerar elektronstrålens emittans avsevärt, för första gången realiserats. En låg emittans är en viktig parameter, eftersom den möjliggör för forskarna att fokusera synkrotronstrålningen i hög intensitet på ett litet prov. Denna avhandling diskuterar flera utmaningar som uppträder på acceleratorsidan när emittansen i lagringsringen reduceras såsom vid MAX IV anläggningen.

Radiofrekvenskaviteter förser den lagrade elektronstrålen med energi. De harmoniska kaviteterna i MAX IV acceleratorerna har istället till uppgift att sträcka ut elektronklungorna i lagringsringarna, vilket är ett väsentligt krav för att kunna uppfylla designparametrarna. Den resulterande longitudinella formen på elektronklungorna detekteras med hjälp av synkrotronstrålningen i ett diagnostikstrålrör.

Synkrotronstrålningen innehåller också information om storlek och emittans på elektronstrålen. För detta ändamål fokuseras den synliga delen av strålningen, med en lins i diagnostikstrålröret, för att skapa en bild av elektronstrålen. På grund av den lilla strålstorleken, står själva utsändningsprocessen och diffraktion, för de dominanta effekterna i bilden. Ändå presenteras här metoder som möjliggör härledning av elektronstrålens storlek och slutligen dess emittans.

En mycket låg vertikal emittans för med sig nackdelar, såsom en ökad förlust-takt av elektroner från strålen och även en ökad horisontell emittans. Detta beror på växelverkningar mellan elektronerna i en klunga. En tillvägagångssätt presenteras därför som ökar vertikala emittansen på ett kontrollerat och omvändbart sätt, för att kunna möta kraven från en särskild vetenskaplig applikation med synkrotronljusstrålning, och på det viset undvika de förut nämnda onödiga nackdelarna. (Less)
Abstract
In this thesis several aspects related to a new generation of storage ring light sources are discussed. Due to a reduction of electron beam emittance, fourth generation storage rings provide synchrotron radiation sources close to the diffraction limit at X-ray wavelengths. This results in a significant increase in photon brightness that is beneficial in a variety of synchrotron radiation based experiments. The MAX IV Laboratory in Lund, Sweden, operates the first storage ring light source of the fourth generation. Its 3 GeV storage ring has a circumference of 528 m and employs a multibend achromat lattice with a horizontal electron beam emittance of 0.33 nm rad.

Beam size and emittance diagnostics of ultralow horizontal and vertical... (More)
In this thesis several aspects related to a new generation of storage ring light sources are discussed. Due to a reduction of electron beam emittance, fourth generation storage rings provide synchrotron radiation sources close to the diffraction limit at X-ray wavelengths. This results in a significant increase in photon brightness that is beneficial in a variety of synchrotron radiation based experiments. The MAX IV Laboratory in Lund, Sweden, operates the first storage ring light source of the fourth generation. Its 3 GeV storage ring has a circumference of 528 m and employs a multibend achromat lattice with a horizontal electron beam emittance of 0.33 nm rad.

Beam size and emittance diagnostics of ultralow horizontal and vertical emittance electron beams can be achieved by focusing synchrotron radiation from dipole magnets, to form an image of the beam. When imaging in the visible and near-visible spectral ranges, diffraction and emission effects are dominant. The presented refined methods, however, make it possible and even beneficial to deduce small electron beam sizes from this radiation.

Diagnostics of the longitudinal charge distribution in the bunch, based on time-resolved measurements of synchrotron radiation, are of special interest, since bunch lengthening with passive harmonic rf cavities is an essential ingredient in the concept of the storage ring, extending Touschek lifetime and mitigating the effects of intrabeam scattering.

The horizontal emittance in the MAX IV 3 GeV storage ring will lead, after correction of coupling and minimization of vertical dispersion, to a very low vertical emittance, lower than what might be requested by synchrotron radiation experimentalists. Operating with the negative consequences of a too low emittance such as a Touschek lifetime shorter than necessary and an increased intrabeam scattering can, however, be avoided if the vertical emittance is adjusted to a desired level in a controlled way. A scheme is introduced that excites vertical emittance by vertical dispersion while maintaining small source sizes for synchrotron radiation production in the insertion devices, and restores Touschek lifetime. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr Papaphilippou, Yannis, CERN, Switzerland
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
ultralow emittance, Touschek lifetime, emittance tuning, Beam diagnostics, synchrotron radiation
pages
142 pages
publisher
Lund University, Faculty of Science, Department of Accelerator Physics, MAX IV Laboratory
defense location
MAX IV Laboratory, room MAX III, Fotongatan 2, Lund
defense date
2016-10-03 09:30
ISBN
978-91-7623-952-0
language
English
LU publication?
yes
id
a21733df-070d-4c1d-afcf-bc9c273ff243
date added to LUP
2016-09-07 11:56:18
date last changed
2016-09-21 10:38:44
@phdthesis{a21733df-070d-4c1d-afcf-bc9c273ff243,
  abstract     = {In this thesis several aspects related to a new generation of storage ring light sources are discussed. Due to a reduction of electron beam emittance, fourth generation storage rings provide synchrotron radiation sources close to the diffraction limit at X-ray wavelengths. This results in a significant increase in photon brightness that is beneficial in a variety of synchrotron radiation based experiments. The MAX IV Laboratory in Lund, Sweden, operates the first storage ring light source of the fourth generation. Its 3 GeV storage ring has a circumference of 528 m and employs a multibend achromat lattice with a horizontal electron beam emittance of 0.33 nm rad.<br/><br/>Beam size and emittance diagnostics of ultralow horizontal and vertical emittance electron beams can be achieved by focusing synchrotron radiation from dipole magnets, to form an image of the beam. When imaging in the visible and near-visible spectral ranges, diffraction and emission effects are dominant. The presented refined methods, however, make it possible and even beneficial to deduce small electron beam sizes from this radiation. <br/><br/>Diagnostics of the longitudinal charge distribution in the bunch, based on time-resolved measurements of synchrotron radiation, are of special interest, since bunch lengthening with passive harmonic rf cavities is an essential ingredient in the concept of the storage ring, extending Touschek lifetime and mitigating the effects of intrabeam scattering.<br/><br/>The horizontal emittance in the MAX IV 3 GeV storage ring will lead, after correction of coupling and minimization of vertical dispersion, to a very low vertical emittance, lower than what might be requested by synchrotron radiation experimentalists. Operating with the negative consequences of a too low emittance such as a Touschek lifetime shorter than necessary and an increased intrabeam scattering can, however, be avoided if the vertical emittance is adjusted to a desired level in a controlled way. A scheme is introduced that excites vertical emittance by vertical dispersion while maintaining small source sizes for synchrotron radiation production in the insertion devices, and restores Touschek lifetime.},
  author       = {Breunlin, Jonas},
  isbn         = {978-91-7623-952-0},
  keyword      = {ultralow emittance,Touschek lifetime,emittance tuning,Beam diagnostics,synchrotron radiation},
  language     = {eng},
  pages        = {142},
  publisher    = {Lund University, Faculty of Science, Department of Accelerator Physics, MAX IV Laboratory},
  school       = {Lund University},
  title        = {Emittance related topics for fourth generation storage ring light sources},
  year         = {2016},
}