Calculation Methodology and Fabrication Procedures for Particle Accelerator Strip-Line Kickers: Application to the CTF3 Combiner Ring Extraction Kicker and TL2 Tail Clippers

A particle accelerator is any device that, using electromagnetic fields, is able to communicate energy to charged particles (typically electrons or ionized atoms), accelerating and/or energizing them up to the required level for its purpose. The applications of particle accelerators are countless, beginning in a common TV CRT, passing through medical X-ray devices, and ending in large ion colliders utilized to find the smallest details of the matter. Among the other engineering applications, the ion implantation devices to obtain better semiconductors and materials of amazing properties are included. Materials supporting irradiation for future nuclear fusion plants are also benefited from particle accelerators. There are many devices in a particle accelerator required for its correct operation. The most important are the particle sources, the guiding, focalizing and correcting magnets, the radiofrequency accelerating cavities, the fast deflection devices, the beam diagnostic mechanisms and the particle detectors. Most of the fast particle deflection devices have been built historically by using copper coils and ferrite cores which could effectuate a relatively fast magnetic deflection, but needed large voltages and currents to counteract the high coil inductance in a response in the microseconds range. Various beam stability considerations and the new range of energies and sizes of present time accelerators and their rings require new devices featuring an improved wakefield behaviour and faster response (in the nanoseconds range). This can only be achieved by an electromagnetic deflection device based on a transmission line. The electromagnetic deflection device (strip-line kicker) produces a transverse displacement on the particle beam travelling close to the speed of light, in order to extract the particles to another experiment or to inject them into a different accelerator. The deflection is carried out by the means of two short, opposite phase pulses. The diversion of the particles is exerted by the integrated Lorentz force of the electromagnetic field travelling along the kicker. This Thesis deals with a detailed calculation, manufacturing and test methodology for strip-line kicker devices. The methodology is then applied to two real cases which are fully designed, built, tested and finally installed in the CTF3 accelerator facility at CERN (Geneva). Analytical and numerical calculations, both in 2D and 3D, are detailed starting from the basic specifications in order to obtain a conceptual design. Time domain and frequency domain calculations are developed in the process using different FDM and FEM codes. The following concepts among others are analyzed: scattering parameters, resonating high order modes, the wakefields, etc. Several contributions are presented in the calculation process dealing specifically with strip-line kicker devices fed by electromagnetic pulses. Materials and components typically used for the fabrication of these devices are analyzed in the manufacturing section. Mechanical supports and connexions of electrodes are also detailed, presenting some interesting contributions on these concepts. The electromagnetic and vacuum tests are then analyzed. These tests are required to ensure that the manufactured devices fulfil the specifications. Finally, and only from the analytical point of view, the strip-line kickers are studied together with a pulsed power supply based on solid state power switches (MOSFETs). The solid state technology applied to pulsed power supplies is introduced and several circuit topologies are modelled and simulated to obtain fast and good flat-top pulses.

Projectile Combustion Effects on Ram Accelerator Performance

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

Ultrahigh compression of water using intense heavy ion beams: laboratory planetary physics

Intense heavy ion beams offer a unique tool for generating samples of high energy density matter with extreme conditions of density and pressure that are believed to exist in the interiors of giant planets. An international accelerator facility named FAIR (Facility for Antiprotons and Ion Research) is being constructed at Darmstadt, which will be completed around the year 2015. It is expected that this accelerator facility will deliver a bunched uranium beam with an intensity of 5x10(11) ions per spill with a bunch length of 50-100 ns. An experiment named LAPLAS (Laboratory Planetary Sciences) has been proposed to achieve a low-entropy compression of a sample material like hydrogen or water (which are believed to be abundant in giant planets) that is imploded in a multi-layered target by the ion beam. Detailed numerical simulations have shown that using parameters of the heavy ion beam that will be available at FAIR, one can generate physical conditions that have been predicted to exist in the interior of giant planets. In the present paper, we report simulations of compression of water that show that one can generate a plasma phase as well as a superionic phase of water in the LAPLAS experiments.

Strahlungsbegleitete Pion-Photoproduktion am Proton

Im Jahre 1997 wurden von Tatischeff et al. bei der Reaktion p p -> X p pi+ resonanzartige Zustände im Spektrum der invarianten Masse des fehlenden Nukleons X bei M = 1004, 1044 und 1094 MeV gefunden. In einem zweiten Experiment von Filkov et al. beobachtete man bei der Reaktion p d -> p p X Resonanzstrukturen bei M = 966, 986 und 1003 MeV. Solche exotischen Resonanzen widersprechen etablierten Nukleonenmodellen, die die Delta(1232)-Resonanz als ersten Anregungszustand beschreiben. Zur Deutung der beobachteten Strukturen wurden Quarkcluster-Modelle mit und ohne Farb-Magnet-Wechselwirkungen entwickelt. Lvov et al. zweifelten die experimentellen Ergebnisse an, da keine Strukturen in den Daten zur reellen Comptonstreuung gefunden wurden. Als Gegenargument wurde von Kobushkin vorgeschlagen, dass diese Resonanzen eine total-antisymmetrische Spin-Flavour-Wellenfunktion haben und nur der N-2Gamma-Zerfall erlaubt wäre. In dieser Arbeit wurde die Reaktion g p -> X pi+ -> n g g pi+ zur Suche nach diesen exotischen Resonanzen verwendet. Die Daten wurden parallel zur Messung der Pion-Polarisierbarkeiten am Mainzer Beschleuniger MAMI genommen. Durch Bremsstrahlung der Elektronen an einer Radiatorfolie wurden reelle Photonen erzeugt, deren Energie von der A2-Photonenmarkierungsanlage (Glasgow-Tagger) bestimmt wurde. Als Protontarget wurde ein 10 cm langes Flüssigwasserstoff-Target verwendet. Geladene Reaktionsprodukte wurden unter Vorwärtswinkeln Theta < 20 Grad bezüglich der Strahlachse in einer Vieldraht-Proportionalkammer nachgewiesen, während Photonen im Spektrometer TAPS mit 526 BaF2-Kristallen unter Polarwinkeln Theta > 60 Grad detektiert wurden. Zum Nachweis von Neutronen stand ein Flugzeitdetektor mit insgesamt 111 Einzelmodulen zur Verfügung. Zum Test der Analysesoftware und des experimentellen Aufbaus wurden zusätzlich die Reaktionskanäle g p -> p pi0 und g p -> n pi0 pi+ ausgewertet. Für die Ein-Pion-Produktion wurden differentielle Wirkungsquerschnitte unter Rückwärtswinkeln bestimmt und mit theoretischen Modellen und experimentellen Werten verglichen. Für den Kanal g p -> n pi0 pi+ wurden Spektren invarianter Massen für verschiedene Teilchenkombinationen ermittelt und mit einer Simulation verglichen. Die Daten legen nahe, dass die Reaktion hauptsächlich über eine Anregung der Delta0(1232)-Resonanz verläuft. Bei der Suche nach exotischen Resonanzen wurden keine statistisch signifikanten Strukturen gefunden. Es wurden Obergrenzen für den differentiellen Wirkungsquerschnitt ermittelt.

Einzelspin-Asymmetrien in der elastischen Elektron-Proton-Streuung und die Beiträge der Strange-Quarks zu den Formfaktoren des Nukleons

Die A4-Kollaboration am Mainzer Mikrotron MAMI erforscht die Struktur des Protons mit Hilfe der elastischen Streuung polarisierter Elektronen an unpolarisiertem Wasserstoff. Bei longitudinaler Polarisation wird eine paritätsverletzende Asymmetrie im Wirkungsquerschnitt gemessen, die Aufschluß über den Beitrag der Strangeness zu den Vektor-Formfaktoren des Protons gibt. Bei transversaler Polarisation treten azimutale Asymmetrien auf, die auf Beiträge des Zwei-Photon-Austauschs zum Wirkungsquerschnitt zurückzuführen sind und den Zugriff auf den Imaginärteil der Zwei-Photon-Amplitude ermöglichen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Messungen bei zwei Impulsüberträgen und jeweils Longitudinal- und Transversalpolarisation durchgeführt und analysiert. Im Vordergrund standen die Extraktion der Rohasymmetrien aus den Daten, die Korrekturen der Rohasymmetrien auf apparative Asymmetrien, die Abschätzung des systematischen Fehlers und die Bestimmung der Strange-Formfaktoren aus den paritätsverletzenden Asymmetrien. Bei den Messungen mit Longitudinalpolarisation wurden die Asymmetrien zu A=(-5.59 +- 0.57stat +- 0.29syst)ppm bei Q^2=0.23 (GeV/c)^2 und A=(-1.39 +- 0.29stat +- 0.12syst)ppm bei Q^2=0.11(GeV/c)^2 bestimmt. Daraus lassen sich die Linearkombinationen der Strange-Formfaktoren zu GEs+0.225GMs= 0.029 +- 0.034 bzw. GEs+0.106GMs=0.070+-0.035 ermitteln. Die beiden Resultate stehen in Übereinstimmung mit anderen Experimenten und deuten darauf hin, daß es einen nichtverschwindenden Strangeness-Beitrag zu den Formfaktoren gibt. Bei den Messungen mit Transversalpolarisation wurden die azimutalen Asymmetrien zu A=(-8.51 +- 2.31stat +-0.89syst)ppm bei E=855 MeV und Q^2=0.23(GeV/c)^2 und zu A=(-8.59 +- 0.89stat +- 0.83syst)ppm bei E=569 MeV und Q^2=0.11(GeV/c)^2 bestimmt. Die Größe der gemessenen Asymmetrien belegt, daß beim Zwei-Photon-Austausch neben dem Grundzustand des Protons vor allem auch angeregte Zwischenzustände einen wesentlichen Beitrag liefern.

Study of the helicity dependence of single pion photoproduction on the deuteron

Der erste experimentelle Test der GDH-Summenregel für das Proton wurde 1998 am MAMI-Beschleuniger der Universität Mainz durchgeführt. Ferner wurde ein Pilot-Experiment mit einem polarisierten Deuteron-Target vorgenommen. Dieselbe Kollaboration führte 2003 ein auf das Deuteron ausgerichtetes Experiment durch mit der Absicht, die GDH-Summenregel für das Neutron zu untersuchen. Der in beiden Experimenten verwendete Aufbau erlaubt nicht nur die Messung des totalen Wirkungsquerschnitts, sondern auch gleichzeitig einzelne Teilreaktionen zu studieren. In dieser Arbeit werden die Daten des Deuteron-Pilot-Experiments von 1998 analysiert. Desweiteren wird eine Studie der Helizitätsabhängigkeit der differenziellen Wirkungsquerschnitte für drei Pion-Photoproduktionskanäle des Deuterons in der oberen Hälfte der Delta-Resonanz präsentiert. Diese Ergebnisse werden mit einem theoretischen Modell verglichen. Dabei wurde eine hinreichend gute Übereinstimmung für die unpolarisierten Reaktionen gefunden, während für die polarisierten Kanäle kleinere Diskrepanzen beobachtet wurden. Der Targetpolarisationsgrad ist einer der relevanten Parameter, der für eine absolute Normalisierung der Wirkungsquerschnitte notwendig ist. Die Analyse dieses Parameters für die 2003er Daten wird in der vorliegenden Arbeit vorgestellt. Zur Zeit ist in Mainz ein Frozen-Spin-Target im Bau. Es wird als Target für polarisierte Protonen oder polarisierte Deuteronen für zukünftige Experimente mit dem Crystal Ball zur Verfügung stehen. Die Vorbereitungen der verschiedenen Subsysteme dieses Aufbaus stellten einen wichtigen Teil dieser Arbeit dar. Die fundamentalen Grundlagen der Methode und deren technische Umsetzung, sowie der momentane Status der Aufbauarbeiten am Target werden im Detail präsentiert.

Concept and realization of the A4 compton backscattering polarimeter at MAMI

The main concern of the A4 parity violation experiment at the Mainzer Microtron accelerator facility is to study the electric and magnetic contributions of strange quarks to the charge and magnetism of the nucleons at the low momentum transfer region. More precisely, the A4 collaboration investigates the strange quarks' contribution to the electric and magnetic vector form factors of the nucleons. Thus, it is important that the A4 experiment uses an adequate and precise non-destructive online monitoring tool for the electron beam polarization when measuring single spin asymmetries in elastic scattering of polarized electrons from unpolarized nucleons. As a consequence, the A4 Compton backscattering polarimeter was designed and installed such that we can take the absolute measurement of the electron beam polarization without interruption to the parity violation experiment. The present study shows the development of an electron beam line that is called the chicane for the A4 Compton backscattering polarimeter. The chicane is an electron beam transport line and provides an interaction region where the electron beam and the laser beam overlap. After studying the properties of beam line components carefully, we developed an electron beam control system that makes a beam overlap between the electron beam and the laser beam. Using the system, we can easily achieve the beam overlap in a short time. The electron control system, of which the performance is outstanding, is being used in production beam times. And the study presents the development of a scintillating fiber electron detector that reduces the statistical error in the electron polarization measurement. We totally redesigned the scintillating fiber detector. The data that were taken during a 2008 beam time shows a huge background suppression, approximately 80 percent, while leaving the Compton spectra almost unchanged when a coincidence between the fiber detector and the photon detector is used. Thus, the statistical error of the polarization measurement is reduced by about 40 percent in the preliminary result. They are the significant progress in measuring a degree of polarization of the electron beam.

Messung des elektrischen Neutron-Formfaktors in der Reaktion 3 He(e,e'n)pp bei Q 2 = 1.58 (GeV/c) 2

Die elektromagnetischen Nukleon-Formfaktoren sind fundamentale Größen, welche eng mit der elektromagnetischen Struktur der Nukleonen zusammenhängen. Der Verlauf der elektrischen und magnetischen Sachs-Formfaktoren G_E und G_M gegen Q^2, das negative Quadrat des Viererimpulsübertrags im elektromagnetischen Streuprozess, steht über die Fouriertransformation in direkter Beziehung zu der räumlichen Ladungs- und Strom-Verteilung in den Nukleonen. Präzise Messungen der Formfaktoren über einen weiten Q^2-Bereich werden daher für ein quantitatives Verständnis der Nukleonstruktur benötigt.rnrnDa es keine freien Neutrontargets gibt, gestaltet sich die Messung der Neutron-Formfaktoren schwierig im Vergleich zu der Messung am Proton. Konsequenz daraus ist, dass die Genauigkeit der vorhandenen Daten von Neutron-Formfaktoren deutlich geringer ist als die von Formfaktoren des Protons; auch der vermessene Q^2-Bereich ist kleiner. Insbesondere der elektrische Sachs-Formfaktor des Neutrons G_E^n ist schwierig zu messen, da er aufgrund der verschwindenden Nettoladung des Neutrons im Verhältnis zu den übrigen Nukleon-Formfaktoren sehr klein ist. G_E^n charakterisiert die Ladungsverteilung des elektrisch neutralen Neutrons und ist damit besonders sensitiv auf die innere Struktur des Neutrons.rnrnIn der hier vorgestellten Arbeit wurde G_E^n aus Strahlhelizitätsasymmetrien in der quasielastischen Streuung vec{3He}(vec{e}, e'n)pp bei einem Impulsübertrag von Q^2 = 1.58 (GeV/c)^2 bestimmt. Die Messung fand in Mainz an der Elektronbeschleunigeranlage Mainzer Mikrotron innerhalb der A1-Kollaboration im Sommer 2008 statt. rnrnLongitudinal polarisierte Elektronen mit einer Energie von 1.508 GeV wurden an einem polarisierten ^3He-Gastarget, das als effektives, polarisiertes Neutrontarget diente, gestreut. Die gestreuten Elektronen wurden in Koinzidenz mit den herausgeschlagenen Neutronen detektiert; die Elektronen wurden in einem magnetischen Spektrometer nachgewiesen, durch den Nachweis der Neutronen in einer Matrix aus Plastikszintillatoren wurde der Beitrag der quasielastischen Streuung am Proton unterdrückt.rnrnAsymmetrien des Wirkungsquerschnitts bezüglich der Elektronhelizität sind bei Orientierung der Targetpolarisation in der Streuebene und senkrecht zum Impulsübertrag sensitiv auf G_E^n / G_M^n; mittels deren Messung kann G_E^n bestimmt werden, da der magnetische Formfaktor G_M^n mit vergleichsweise hoher Präzision bekannt ist. Zusätzliche Messungen der Asymmetrie bei einer Polarisationsorientierung parallel zum Impulsübertrag wurden genutzt, um systematische Fehler zu reduzieren.rnrnFür die Messung inklusive statistischem (stat) und systematischem (sys) Fehler ergab sich G_E^n = 0.0244 +/- 0.0057_stat +/- 0.0016_sys.

The scintillating fiber focal plane detector for the use of Kaos as a double arm spectrometer

The upgrade of the Mainz Mikrotron (MAMI) electron accelerator facility in 2007 which raised the beam energy up to 1.5,GeV, gives the opportunity to study strangeness production channels through electromagnetic process. The Kaon Spectrometer (KAOS) managed by the A1 Collaboration, enables the efficient detection of the kaons associated with strangeness electroproduction. Used as a single arm spectrometer, it can be combined with the existing high-resolution spectrometers for exclusive measurements in the kinematic domain accessible to them.rnrnFor studying hypernuclear production in the ^A Z(e,e'K^+) _Lambda ^A(Z-1) reaction, the detection of electrons at very forward angles is needed. Therefore, the use of KAOS as a double-arm spectrometer for detection of kaons and the electrons at the same time is mandatory. Thus, the electron arm should be provided with a new detector package, with high counting rate capability and high granularity for a good spatial resolution. To this end, a new state-of-the-art scintillating fiber hodoscope has been developed as an electron detector.rnrnThe hodoscope is made of two planes with a total of 18432 scintillating double-clad fibers of 0.83 mm diameter. Each plane is formed by 72 modules. Each module is formed from a 60deg slanted multi-layer bundle, where 4 fibers of a tilted column are connected to a common read out. The read-out is made with 32 channels of linear array multianode photomultipliers. Signal processing makes use of newly developed double-threshold discriminators. The discriminated signal is sent in parallel to dead-time free time-to-digital modules and to logic modules for triggering purposes.rnrnTwo fiber modules were tested with a carbon beam at GSI, showing a time resolution of 220 ps (FWHM) and a position residual of 270 microm m (FWHM) with a detection efficiency epsilon>99%.rnrnThe characterization of the spectrometer arm has been achieved through simulations calculating the transfer matrix of track parameters from the fiber detector focal plane to the primary vertex. This transfer matrix has been calculated to first order using beam transport optics and has been checked by quasielastic scattering off a carbon target, where the full kinematics is determined by measuring the recoil proton momentum. The reconstruction accuracy for the emission parameters at the quasielastic vertex was found to be on the order of 0.3 % in first test realized.rnrnThe design, construction process, commissioning, testing and characterization of the fiber hodoscope are presented in this work which has been developed at the Institut für Kernphysik of the Johannes Gutenberg - Universität Mainz.

Measurement of the muon beam direction and muon flux for the T2K neutrino experiment

The Tokai-to-Kamioka (T2K) neutrino experiment measures neutrino oscillations by using an almost pure muon neutrino beam produced at the J-PARC accelerator facility. The T2K muon monitor was installed to measure the direction and stability of the muon beam which is produced together with the muon neutrino beam. The systematic error in the muon beam direction measurement was estimated, using data and MC simulation, to be 0.28 mrad. During beam operation, the proton beam has been controlled using measurements from the muon monitor and the direction of the neutrino beam has been tuned to within 0.3 mrad with respect to the designed beam-axis. In order to understand the muon beam properties, measurement of the absolute muon yield at the muon monitor was conducted with an emulsion detector. The number of muon tracks was measured to be (4.06 ± 0.05) × 10⁴ cm⁻² normalized with 4 × 10¹¹protons on target with 250 kA horn operation. The result is in agreement with the prediction which is corrected based on hadron production data.

Neutronic design for ESS-Bilbao neutron source

The European Spallation Source-Bilbao (ESS-Bilbao) project plans to build an accelerator facility compliant with the ESS-AB requirements which will be able to drive several experimental stations for research purposes involving intense proton beams with currents up to 75 mA, 50 MeV of final energy, 1.5 ms of pulse length and up to 50 Hz repetition rate. The accelerator will also drive a compact neutron source which will provide useful neutron beams to carry out experiments on moderator optimization, neutron optics devices and general neutron instrumentation as well as preparation work for experiments to be carried out by neutron beam users at the large facilities.

Hydrogen(electron-deuteron) studies of the deuteron at high squared momentum transfer

A high resolution study of the quasielastic 2 H(e, e'p)n reaction was performed in Hall A at the Thomas Jefferson Accelerator Facility in Newport News, Virginia. The measurements were performed at a central momentum transfer of : q: ∼ 2400 MeV/c, and at a central energy transfer of ω ∼ 1500 MeV, a four momentum transfer Q2 = 3.5 (GeV/c)2, covering missing momenta from 0 to 0.5 GeV/c. The majority of the measurements were performed at Φ = 180° and a small set of measurements were done at Φ = 0°. The Hall A High Resolution Spectrometers (HRS) were used to detect coincident electrons and protons, respectively. Absolute 2H(e, e'p) n cross sections were obtained as a function of the recoiling neutron scattering angle with respect to [special characters omitted]. The experimental results were compared to a Plane Wave Impulse Approximation (PWIA) model and to a calculation that includes Final State Interaction (FSI) effects. Experimental 2H(e, e'p)n cross sections were determined with an estimated systematic uncertainty of 7%. The general features of the measured cross sections are reproduced by Glauber based calculations that take the motion of the bound nucleons into account (GEA). Final State Interactions (FSI) contributions were found to depend strongly on the angle of the recoiling neutron with respect to the momentum transfer and on the missing momentum. We found a systematic deviation of the theoretical prediction of about 30%. At small &thetas; nq (&thetas;nq < 60°) the theory overpredicts the cross section while at large &thetas; nq (&thetas;nq > 80°) the theory underestimates the cross sections. We observed an enhancement of the cross section, due to FSI, of about 240%, as compared to PWIA, for a missing momentum of 0.4 GeV/c at an angle of 75°. For missing momentum of 0.5 GeV/c the enhancement of the cross section due to the same FSI effects, was about 270%. This is in agreement with GEA. Standard Glauber calculations predict this large contribution to occur at an angle of 90°. Our results show that GEA better describes the 2H(e, e'p)n reaction.

A precise measurement of the two -photon exchange effect

The two-photon exchange phenomenon is believed to be responsible for the discrepancy observed between the ratio of proton electric and magnetic form factors, measured by the Rosenbluth and polarization transfer methods. This disagreement is about a factor of three at Q 2 of 5.6 GeV2. The precise knowledge of the proton form factors is of critical importance in understanding the structure of this nucleon. The theoretical models that estimate the size of the two-photon exchange (TPE) radiative correction are poorly constrained. This factor was found to be directly measurable by taking the ratio of the electron-proton and positron-proton elastic scattering cross sections, as the TPE effect changes sign with respect to the charge of the incident particle. A test run of a modified beamline has been conducted with the CEBAF Large Acceptance Spectrometer (CLAS) at Thomas Jefferson National Accelerator Facility. This test run demonstrated the feasibility of producing a mixed electron/positron beam of good quality. Extensive simulations performed prior to the run were used to reduce the background rate that limits the production luminosity. A 3.3 GeV primary electron beam was used that resulted in an average secondary lepton beam of 1 GeV. As a result, the elastic scattering data of both lepton types were obtained at scattering angles up to 40 degrees for Q2 up to 1.5 GeV2. The cross section ratio displayed an &epsis; dependence that was Q2 dependent at smaller Q2 limits. The magnitude of the average ratio as a function of &epsis; was consistent with the previous measurements, and the elastic (Blunden) model to within the experimental uncertainties. Ultimately, higher luminosity is needed to extend the data range to lower &epsis; where the TPE effect is predicted to be largest.