The end magnets of the IFUSP race-track microtron booster

The end magnets of the IFUSP race-track microtron booster, second stage of the electron accelerator under construction at the Linear Accelerator Laboratory, are presented. They deflect, focus and return the beam to the accelerating section. Details about the project are discussed, Poisson code was used to give the final geometry of the end magnets. The end magnets incorporate auxiliary pole pieces (clamps) which create a reverse fringe field region that avoids the beam vertical defocusing and reduces the horizontal displacement produced by extended fringe fields (EFF). The small gap height used for the clamps provided reverse field distributions with fringe fields of short extensions, avoiding the traditional use of inactive clamps. Measurements and calculations concerning particle trajectories and reverse field distribution are presented. The floating wire technique, employing an original procedure to register orbits, was used to corroborate the calculated beam trajectories and represents a good experimental option in the lack of the accelerator beam. The experimental results showed agreement of about 0.1% with the calculations.

The IFUSP race-track microtron booster accelerator end magnets antisymmetric perturbations

We will present measurements and calculations related to the antisymmetric perturbations, and comparisons with the symmetric ones, of the IFUSP race-track microtron booster accelerator end magnets. These perturbations were measured in planes situated at +/-12 mm of the middle plane, in a gap height of 4 cm, for a field distribution of about 0.1 T. The measurements were done in 1170 points, separated by a distance of 8 mm, using an automated system with a +/-1.5 mu T differential Hall probe. The race-track microtron booster is the second stage of the 30.0 MeV electron accelerator under construction at the Linear Accelerator Laboratory in which the required uniformity for the magnetic field is of about 10(-3). The method of correction employed to homogenize the IFUSP race-track microtron booster accelerator magnets assures uniformity of 10(-5) in an average field of 0.1 T, over an area of 700 cm(2). This method uses the principle of attaching to the pole pieces correction coils produced by etching techniques, with copper leads shaped like the isofield lines of the normal component of the magnetic field measured. The ideal planes, in which these measurements are done, are calculated and depend on the behavior of the magnetic field perturbations: symmetric or antisymmetric with reference to the middle plane of the magnet gap. These calculations are presented in this work and show that for antisymmetric perturbations there is no ideal plane for the correction of the magnetic field; for the symmetric one, these planes are at +/-60% of the half gap height, from the middle plane. So this method of correction is not feasible for antisymmetric perturbations, as will be shown. Besides, the correction of the symmetric portion of the field distribution does not influence the antisymmetric one, which almost does not change, and corroborates the theoretical predictions. We found antisymmetric perturbations of small intensity only in one of the two end magnets. However, they are not detected at +/- 1 mm of the middle plane and will not damage the electron beam.

Design of the main racetrack microtron accelerator end magnets of the Institute of Physics of University of São Paulo

This work deals with the design of the Institute of Physics of the University of São Paulo (IFUSP) main racetrack microtron accelerator end magnets. This is the last stage of acceleration, comprised of an accelerating section (1.04 m) and two end magnets (0.1585 T), in which a 5.10 MeV beam, produced by a racetrack microtron booster has its energy raised up to 31.15 MeV after 28 accelerations. POISSON code was used to give the final configuration that includes auxiliary pole pieces (clamps) and auxiliary homogenizing gaps. The clamps create a reverse fringe field region and avoid the vertical defocusing and the horizontal displacement of the beam produced by extended fringe fields; PTRACE code was used to perform the trajectory calculations in the fringe field region. The auxiliary homogenizing gaps improve the field uniformity as they create a magnetic shower that provides uniformity of ±0.3%, before the introduction of the correcting coils that will be attached to the pole faces. This method of correction, used in the IFUSP racetrack microtron booster magnets, enabled uniformity of ±0.001% in an average field of 0.1 T and will also be employed for these end magnets. © 1999 The American Physical Society.

Statistical treatment of misalignments in particle accelerators

To know how much misalignment is tolerable for a particle accelerator is an important input for the design of these machines. In particle accelerators the beam must be guided and focused using bending magnets and magnetic lenses, respectively. The alignment of the lenses along a transport line aims to ensure that the beam passes through their optical axes and represents a critical point in the assembly of the machine. There are more and more accelerators in the world, many of which are very small machines. Because the existing literature and programs are mostly targeted for large machines. in this work we describe a method suitable for small machines. This method consists in determining statistically the alignment tolerance in a set of lenses. Differently from the methods used in standard simulation codes for particle accelerators, the statistical method we propose makes it possible to evaluate particle losses as a function of the alignment accuracy of the optical elements in a transport line. Results for 100 key electrons, on the 3.5-m long conforming beam stage of the IFUSP Microtron are presented as an example of use. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

The Gerasimov-Drell-Hearn Sum Rule and the Spin Structure of the Proton

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Correcting coils in end magnets of accelerators

We present an empirical investigation of the correcting coils behavior used to homogenize the field distribution of the race-track microtron accelerator end magnets. These end magnets belong to the second stage of the 30.0 MeV cw electron accelerator under construction at IFUSP, the race-track microtron booster, in which the beam energy is raised from 1.97 to 5.1 MeV. The correcting coils are attached to the pole faces and are based on the inhomogeneities of the magnetic field measured. The performance of these coils, when operating the end magnets with currents that differ by ±10% from the one used in the mappings that originated the coils copper leads, is presented. For one of the magnets, adjusting conveniently the current of the correcting coils makes it possible to homogenize field distributions of different intensities, once their shapes are practically identical to those that originated the coils. For the other one, the shapes are changed and the coils are less efficient. This is related to intrinsic factors that determine the inhomogeneities. However, we obtained uniformity of 0.001% in both cases. © 1998 The American Physical Society.

Optical transition radiation used in the diagnostic of low energy and low current electron beams in particle accelerators

Optical transition radiation (OTR) plays an important role in beam diagnostics for high energy particle accelerators. Its linear intensity with beam current is a great advantage as compared to fluorescent screens, which are subject to saturation. Moreover, the measurement of the angular distribution of the emitted radiation enables the determination of many beam parameters in a single observation point. However, few works deals with the application of OTR to monitor low energy beams. In this work we describe the design of an OTR based beam monitor used to measure the transverse beam charge distribution of the 1.9-MeV electron beam of the linac injector of the IFUSP microtron using a standard vision machine camera. The average beam current in pulsed operation mode is of the order of tens of nano-Amps. Low energy and low beam current make OTR observation difficult. To improve sensitivity, the beam incidence angle on the target was chosen to maximize the photon flux in the camera field-of-view. Measurements that assess OTR observation (linearity with beam current, polarization, and spectrum shape) are presented, as well as a typical 1.9-MeV electron beam charge distribution obtained from OTR. Some aspects of emittance measurement using this device are also discussed. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4748519]

Erste Untersuchungen zur Messung helizitätsabhängiger (gamma N)-Wirkungsquerschnitte für das GDH-Experiment am MAMI

Das experimentelle Studium der 1966 von Gerasimov, Drell undHearn unabhängig voneinander aufgestellten und als GDH-SummenregelbezeichnetenRelation macht die Vermessung totalerPhotoabsorptionswirkungsquerschnitte von zirkular polarisierten Photonen an longitudinalpolarisierten Nukleonen über einen weiten Energiebereich notwendig. Die im Sommer1998 erfolgte Messung am Mainzer Mikrotron stellt das erste derartigeExperiment mit reellen Photonen zur Messung des GDH-Integrals am Protondar. Die Verwendung eines Frozen-Spin-Butanoltargets, das eingesetzt wurde, umeinen möglichst hohen Proton-Polarisationsgrad zu erreichen, hat diezusätzliche experimentelle Schwierigkeit zur Folge, daß die imButanoltarget enthaltenen Kohlenstoffkerne ebenfalls Reaktionsprodukte liefern, diezusammen mit den am Proton erzeugten nachgewiesen werden.Ziel der Arbeit war die Bestimmung von Wirkungsquerschnittenam freien Proton aus Messungen an einem komplexen Target (CH2) wie esbeim polarisiertenTarget vorliegt. Die hierzu durchgeführten Pilotexperimentedienten neben der Entwicklung von Methoden zur Reaktionsidentifikation auchder Eichung des Detektorsystems. Durch die Reproduktion der schon bekanntenund vermessenen unpolarisierten differentiellen und totalenEin-Pion-Wirkungsquerschnitte am Proton (gamma p -> p pi0 und gamma p -> n pi+), die bis zueiner Photonenergievon etwa 400 MeV den Hauptbeitrag zum GDH-Integralausmachen, konnte gezeigt werden, daß eine Separation der Wasserstoff- vonKohlenstoffereignissen möglich ist. Die notwendigen Techniken hierzu wurden imRahmen dieser Arbeit zu einem allgemein nutzbaren Werkzeug entwickelt.Weiterhin konnte gezeigt werden, daß der vom Kohlenstoffstammende Anteil der Reaktionen keine Helizitätsabhängigkeit besitzt. Unterdieser Voraussetzung reduziert sich die Bestimmung der helizitätsabhängigenWirkungsquerschnittsdifferenz auf eine einfacheDifferenzbildung. Aus den erhaltenen Ergebnissen der intensiven Analyse von Daten, diemit einem unpolarisierten Target erhalten wurden, konnten so schnellerste Resultate für Messungen, die mit dem polarisierten Frozen-Spin-Targetaufgenommen wurden, geliefert werden. Es zeigt sich, daß sich dieseersten Resultate für polarisierte differentielle und totale (gammaN)-Wirkungsquerschnitte im Delta-Bereich in guter Übereinstimmung mit theoretischenAnalysen befinden.

Entwicklung und Test eines Röntgeninterferometers auf der Basis von Übergangsstrahlung

In der vorliegenden Arbeit werden Entwicklung und Test einesneuartigen Interferometers mit zwei örtlich separierten,phasenkorrelierten Röntgenquellen zur Messung des Realteilsdes komplexen Brechungsindex von dünnen, freitragendenFolien beschrieben. Die Röntgenquellen sind zwei Folien, indenen relativistische Elektronen der Energie 855 MeVÜbergangsstrahlung erzeugen. Das am Mainzer Mikrotron MAMIrealisierte Interferometer besteht aus einer Berylliumfolieeiner Dicke von 10 Mikrometer und einer Nickel-Probefolieeiner Dicke von 2.1 Mikrometer. Die räumlichenInterferenzstrukturen werden als Funktion desFolienabstandes in einer ortsauflösenden pn-CCD nach derFourier-Analyse des Strahlungsimpulses mittels einesSilizium-Einkristallspektrometers gemessen. Die Phase derIntensitätsoszillationen enthält Informationen über dieDispersion, die die in der strahlaufwärtigen Folie erzeugteWelle in der strahlabwärtigen Probefolie erfährt. AlsFallstudie wurde die Dispersion von Nickel im Bereich um dieK-Absorptionskane bei 8333 eV, sowie bei Photonenenergien um9930 eV gemessen. Bei beiden Energien wurden deutlicheInterferenzstrukturen nachgewiesen, wobei die Kohärenz wegenWinkelmischungen mit steigendem Folienabstand bzw.Beobachtungswinkel abnimmt. Es wurden Anpassungen vonSimulationsrechnungen an die Messdaten durchgeführt, die diekohärenzvermindernden Effekte berücksichtigen. Aus diesenAnpassungen konnte bei beiden untersuchten Energien dieDispersion der Nickelprobe mit einer relativen Genauigkeitvon kleiner gleich 1.5 % in guter Übereinstimmung mit derLiteratur bestimmt werden.

Untersuchungen zur Strahldynamik am Mainzer Mikrotron

Diese Arbeit untersucht die longitudinale und transversaleStrahldynamik am Mainzer Mikrotron MAMI. Die gemessenen Abbildungseigenschaften werden mit den Design-Rechnungen verglichen. Dadurch konnte die Strahlqualitaet von MAMI B und das Design der neuen HDSM Mikrotronstufe verbessert werden. Es wurde eine Stoerungsrechnung formuliert, um die 6-DAbbildungsmatrix entlang der Beschleunigungsstrecke zu berechnen. Ausgehend von der linearisierten Hamilton Funktion wird die Transfermatrix M in eine unendliche Summe ueber Matrizen M(n) zerlegt, die jeweils eine n-fache Wechselwirkung des Strahls mit dem Quadrupolanteil des Fuehrungsfeldes darstellen. Dank des tieferen Einblicks in die Auswirkung von Feldfehlern konnte damit das Mikrotron-Modell leicht an die gemessenen Transfermatrizen angepasst werden. Ferner wurde die Identifizierung und Korrektur anti-symmetrischer Feldfehler in den Mikrotron-Dipolen untersucht. Es wurde ein Messverfahren entwickelt, um kleine Feldkomponenten in der Bahnebene von der Groessenordnung 10E-3 zu erkennen. Das vorgeschlagene Verfahren wurde mit Hilfe des Simulationsprogramms TOSCA ausgetestet. Schliesslich wurde die Stabilitaet der Longitudinaloptik verbessert. Dadurch konnte eine hochpraezise Energiestabi-lisierung verwirklicht werden. Bei 855 MeV Strahlenergie wird eine Stabilitaet von etwa 10E-6 erreicht.

Aufbau des GDH-Experiments und Messung der Helizitätsabhängigkeit von gamma p p pi + pi- von der Schwelle bis 800 MeV

Das Experiment zur Überprüfung der Gerasimov-Drell-Hearn(GDH)-Summenregel am Mainzer Mikrotron diente zur Messunghelizitätsabhängiger Eigenschaften der Photoproduktion amProton. Hierbei konnten neben den totalen Photoabsorptionswirkungsquerschnitten auch Querschnitte partieller Kanäle der Einpion-, Zweipion- und Eta-Produktion bestimmt werden. Für die möglichen Doppel-Pion-Reaktionen sind zur Zeit nur wenig Information vorhanden. Daher sind die Reaktionsmechanismen der Doppel-Pion-Photoproduktion weitgehend noch unverstanden. Aus diesem Grund ist die Untersuchung weiterer Observablenerforderlich. Die Helizitätsabhängigkeit stellt eine solcheneue Observable dar und kann dadurch gemessen werden, daßein zirkular polarisiertes Photon mit einem longitudinalpolarisierten Nukleon wechselwirkt. Der Photonspin beträgt1 und der Fermionenspin des Nukleons beträgt 1/2.Die Spins koppeln zu 3/2 und 1/2. Dies liefert diehelizitätsabhängigen Wirkungsquerschnitte.Diese Dissertation beschreibt den Aufbau des Mainzer GDH-Experiments und die technische Realisation der Messung helizitätsabhängiger Photoabsorptionswirkungsquerschnitte. Die Helizitätsabhängigkeit der doppelt geladenen Doppel-Pion-Photoproduktion am Proton wurde anhand der gemessenen Daten untersucht. Diese Reaktion ist ein Zweistufenprozeß, wobei das angeregte Nukleon resonant oder nicht-resonant in die Endzustandsteilchen zerfällt. Durch die helizitätsabhängigen Daten wurden Freiheitsgradein der Doppel-Pion-Photoproduktion eingeschränkt, wodurch eine Verbesserung der Modelle der Gent-Mainz- und der Valencia-Gruppe ermöglicht wurde. Die im Rahmen dieser Arbeit ermittelten Daten haben zusätzlich eine Motivation für weitere Interpretationsansätze durch die genanntenTheoriegruppen geschaffen.

Entwicklung einer Fokalebenen-Driftkammer für niederenergetische Pionen und experimentelle Bestimmung einer inversen Transfermatrix für das Short-Orbit-Spektrometer

Die Drei-Spektrometer-Anlage am Mainzer Institut für Kernphysik wurde um ein zusätzliches Spektrometer ergänzt, welches sich durch seine kurze Baulänge auszeichnet und deshalb Short-Orbit-Spektrometer (SOS) genannt wird. Beim nominellen Abstand des SOS vom Target (66 cm) legen die nachzuweisenden Teilchen zwischen Reaktionsort und Detektor eine mittlere Bahnlänge von 165 cm zurück. Für die schwellennahe Pionproduktion erhöht sich dadurch im Vergleich zu den großen Spektrometern die Überlebenswahrscheinlichkeit geladener Pionen mit Impuls 100 MeV/c von 15% auf 73%. Demzufolge verringert sich der systematische Fehler ("Myon-Kontamination"), etwa bei der geplanten Messung der schwachen Formfaktoren G_A(Q²) und G_P(Q²), signifikant. Den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildet die Driftkammer des SOS. Ihre niedrige Massenbelegung (0,03% X_0) zur Reduzierung der Kleinwinkelstreuung ist auf den Nachweis niederenergetischer Pionen hin optimiert. Aufgrund der neuartigen Geometrie des Detektors musste eine eigene Software zur Spurrekonstruktion, Effizienzbestimmung etc. entwickelt werden. Eine komfortable Möglichkeit zur Eichung der Driftweg-Driftzeit-Relation, die durch kubische Splines dargestellt wird, wurde implementiert. Das Auflösungsvermögen des Spurdetektors liegt in der dispersiven Ebene bei 76 µm für die Orts- und 0,23° für die Winkelkoordinate (wahrscheinlichster Fehler) sowie entsprechend in der nicht-dispersiven Ebene bei 110 µm bzw. 0,29°. Zur Rückrechnung der Detektorkoordinaten auf den Reaktionsort wurde die inverse Transfermatrix des Spektrometers bestimmt. Hierzu wurden an Protonen im ¹²C-Kern quasielastisch gestreute Elektronen verwendet, deren Startwinkel durch einen Lochkollimator definiert wurden. Daraus ergeben sich experimentelle Werte für die mittlere Winkelauflösung am Target von sigma_phi = 1,3 mrad bzw. sigma_theta = 10,6 mrad. Da die Impulseichung des SOS nur mittels quasielastischer Streuung (Zweiarmexperiment) durchgeführt werden kann, muss man den Beitrag des Protonarms zur Breite des Piks der fehlenden Masse in einer Monte-Carlo-Simulation abschätzen und herausfalten. Zunächst lässt sich nur abschätzen, dass die Impulsauflösung sicher besser als 1% ist.

Aufbau des Crystal-Ball-Detektorsystems und Untersuchung der Helizitätsasymmetrie in gamma p p pi 0 pi 0

Seit Frühjahr 2004 wird der Crystal Ball-Detektor am Photonenstrahl des Mainzer Mikrotrons für Koinzidenzexperimente zur Untersuchung der Struktur der Nukleonen genutzt. Aufbau und Inbetriebnahme des Kalorimeters, insbesondere der neuen Detektorelektronik, bilden einen Schwerpunkt dieser Arbeit. Komponenten wurden neu konstruiert oder auf ihre Verwendbarkeit geprüft und nögenfalls modifiziert. Nach erfolgreichem Abschluss der Aufbauphase wurden Experimente zur Produktion von $pi$- und $eta$-Mesonen am Proton mit mehr als 2500 Stunden Strahlbetrieb durchgeführt. Den zweiten Schwerpunkt der Dissertation bildet die erstmalige Messung der Helizitätsasymmetrie I$^odot$ in der Photoproduktion zweier neutraler Pionen. Zum Verstädnis des Anregungsspektrums der Nukleonen müssen Experimente mit polarisierten Photonen und/oder polarisierten Targets durchgeführt werden. Da Modelle trotz unterschiedlicher Annahmen unpolarisiert gemessene Größen vergleichbar gut reproduzieren, ist die Bestimmung der auf Modellunterschiede empfindlichen Polarisationsobservablen unumgäglich. Im Gegensatz zur Einpionproduktion tritt in der Zweipionproduktion eine Einfachpolarisationsobservable auf, die mit zirkular polarisierten Photonen am unpolarisierten Proton gemessen werden kann. Diese wurde in der Reaktion $gamma$ p $rightarrow$ p $pi^0$ $pi^0$ und in $gamma$ p $rightarrow$ p $pi^+$ $pi^-$ energie- und winkelabhägig bestimmt. Die Ergebnisse weichen stark von den Modellvorhersagen ab.

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.