University, Diss., 2003--Heidelberg.

Techn. University, Diss., 2002--Dresden.

Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2005. / Dateien im PDF-Format

The Monte-Carlo simulation package APACIC++/AMEGIC++ is able to describe current and future electron-positron annihilation experiments, namely the LEP collider at CERN and the TESLA collider at DESY. APACIC++ is responsible for the complete generation of one event and AMEGIC++ deals with the exact calculation of matrix elements. The development of both programs was the major task of my thesis. / Das Monte Carlo Simulationspaket APACIC++/AMEGIC++ ist in der Lage Elektron-Positron Annihilationsexperimente wie sie bei Lep am Cern stattfanden und zukuenftig an einem Linearbeschleuniger, z.B. Tesla am Desy durchgefuehrt werden zu beschreiben. Dabei ist APACIC++ verantwortlich fuer die gesamte Generierung eines Ereignisses und AMEGIC++ ein dedizierter Matrixelement-Generator. Die Entwicklung beider Programme war das Hauptthema meiner Dissertation.

Mit der Entdeckung des Higgs-Bosons hat ein Messprogramm begonnen, bei dem die Eigenschaften dieses neuen Teilchens mit der höchstmöglichen Präzision untersucht werden soll um die Gültigkeit des Standardmodells der Teilchenphysik zu prüfen und nach neuer Physik jenseits des Standardmodells zu suchen. Für dieses Ziel wird der Large Hadron Collider (LHC) und sein Upgrade, der High Luminosity-LHC bis etwa zum Jahr 2035 laufen und Daten produzieren. Um an der Spitze der Teilchenphysik zu bleiben, hat die “European Strategy Group for Particle Physics” empfohlen, ambitionierte Nachfolgeprojekte für die Zeit nach dem LHC zu entwickeln. Entsprechend dieser Empfehlung hat das CERN die “Future Circular Collider” (FCC) -Studie gestartet, die die Machbarkeit neuer Speicherringe für Teilchenkollisionen (Collider) untersucht. In dieser Arbeit wird die Entwicklung der Wechselwirkungszonen für FCC-hh, einem Proton-Proton-Speicherring mit einer Schwerpunktsenergie von 100 TeV und einem Umfang von 100 km, beschrieben. Die Wechselwirkungszone ist das Herzstück eines Colliders, da sie die erreichbare Luminosität bestimmt. Es ist daher entscheidend, schon früh im Entwicklungsprozess eine möglichst hohe Kollisionsrate anzustreben. Ausgehend von der optische Struktur der Wechselwirkungszonen des LHC und dem geplanten High Luminosity-LHC (HL-LHC) werden Strategien zur Skalierung hergeleitet um der höheren Strahlenergie gerecht zu werden. Bereits früh im Entwicklungsprozess wird die Strahlungsbelastung durch Teilchentrümmer vom Wechselwirkungspunkt als entscheidender Faktor für das Layout der Wechselwirkungszone identifiziert und eine allgemeine Design-Strategie, die den Schutz der supraleitenden Endfokussierungsmagnete mit einer hohen Luminosität verbindet, wird formuliert und implementiert. Aufgrund des deutlichen Spielraums in Bezug auf beta* wurde die resultierende Magnetstruktur zum Referenzdesign für das FCC-hh-Projekt. / The discovery of the Higgs boson is the start of a measurement program that aims to study the properties of this new particle with the highest possible precision in order to test the validity or the Standard Model of particle physics and to search for new physics beyond the Standard Model. For that purpose, the Large Hadron Collider (LHC) and its upgrade, the High Luminosity-LHC, will operate and produce data until 2035. Following the recommendations of the European Strategy Group for Particle Physics, CERN launched the Future Circular Collider (FCC) study to design large scale particle colliders for high energy physics research in the post-LHC era. This thesis presents the development of the interaction region for FCC-hh, a proton-proton collider operating at 100 TeV center-of-mass energy. The interaction region is the centerpiece of a collider as it determines the achievable luminosity. It is therefore crucial to aim for maximum production rates from the beginning of the design process. Starting from the lattices of LHC and its proposed upgrade, the High Luminosity LHC (HL-LHC), scaling strategies are derived to account for the increased beam rigidity. After identifying energy deposition from debris of the collision events as a driving factor for the layout, a general design strategy is drafted and implemented, unifying protection of the superconducting final focus magnets from radiation with a high luminosity performance. The resulting FCC-hh lattice has significant margins to the performance goals in terms of beta*. Protecting the final focus magnets from radiation with thick shielding limits the minimum beta* and therefore the luminosity. An alternative strategy to increase the magnet lifetime by distributing the radiation load more evenly is developed. A proof of principle of this method, the so-called Q1 split, is provided. In order to demonstrate the feasibility of the derived interaction region lattices, first dynamic aperture studies are conducted.

The Monte-Carlo simulation package APACIC++/AMEGIC++ is able to describe current and future electron-positron annihilation experiments, namely the LEP collider at CERN and the TESLA collider at DESY. APACIC++ is responsible for the complete generation of one event and AMEGIC++ deals with the exact calculation of matrix elements. The development of both programs was the major task of my thesis. / Das Monte Carlo Simulationspaket APACIC++/AMEGIC++ ist in der Lage Elektron-Positron Annihilationsexperimente wie sie bei Lep am Cern stattfanden und zukuenftig an einem Linearbeschleuniger, z.B. Tesla am Desy durchgefuehrt werden zu beschreiben. Dabei ist APACIC++ verantwortlich fuer die gesamte Generierung eines Ereignisses und AMEGIC++ ein dedizierter Matrixelement-Generator. Die Entwicklung beider Programme war das Hauptthema meiner Dissertation.

Die elektromagnetische Wechselwirkung der Teilchen untereinander, wie sie typischerweise in einem Strahl hoher Intensität in den CERN Beschleunigern auftritt, kann in Langzeitsimulationen nicht vernachlässigt werden. Simulationen sind insbesondere notwendig, um diese Beschleuniger zu optimieren und die zugrundeliegende kohärente und inkohärente Dynamik besser zu verstehen. Die Auswirkungen der unumgänglichen Vereinfachungen in der Modellierung der komplizierten Dynamik müssen deshalb untersucht werden. Wir gehen diese Aufgabe an, indem wir sechs verschiedene Strahlführungsmodelle am CERN Proton Synchrotron (PS) und am Super Proton Synchrotron (SPS) untersuchen, die wir dynamisch in der Nähe von horizontalen Integer-Resonanzen operieren. Die sechs Modelle, welche insgesamt in den beiden bewährten Programmpaketen MAD-X und PyOrbit implementiert sind, werden mit den jeweiligen Messungen an beiden Maschinen verglichen, wobei der Schwerpunkt hier auf dem PS liegt. / In long-term tracking simulations of high-intensity beams which are typical in the CERN accelerators, the electromagnetic interaction between the individual particles can not be neglected. Simulations are required to optimize the performance of the accelerators, and to better understand the involved coherent and incoherent dynamics. The impact due to the unavoidable simplifications when modeling the complex dynamics must therefore be studied. We approach this task by examining six different tracking models, applied to the CERN Proton Synchrotron (PS) and the Super Proton Synchrotron (SPS), both of which were dynamically operated near horizontal integer resonances. The six models, which are overall implemented in the well-known program packages MAD-X and PyOrbit, are compared to beam-based measurements on both machines, with the PS as the main emphasis.

Transverse Resonance Island Buckets (TRIBs) ist eine spezielle Einstellung der strahlführenden Magnetoptik eines Speicherrings nahe einer nichtlinearen Resonanz, die einen zweiten vom Hauptorbit gut getrennten und stabilien Orbit erzeugt. Dieser Inselorbit ist verknüpft mit zusätzlichen Potentialtöpfen im transversalen Phasenraum, in denen ebenfalls Elektronen gespeichert werden können. Wird der Speicherring als Synchrotronstrahlungsquelle genutzt, so können den Experimentatoren durch die zwei stabilien Orbits zwei unterschiedliche Lichtquellen mit z.B. unterschiedlichen Pulswiederholungsraten angeboten werden. Diese Dissertation untersucht, ob man die TRIBs Einstellung mit der deutlich komplizierteren und nichtlinear anspruchsvolleren Multi-Bend-Achromat (MBA) Magnetoptik einer vierten Generation Synchrotronstrahlungsquelle zusammen bringen kann. Ein resonanter Hamiltonian in der Nähe einer horizontalen Resonanzen dritter Ordnung, die von Sextupolen getrieben wird, abgeleitet. Dieser Hamiltonian enthält drei Parameter, die den TRIBs-Phasenraum vollständig definieren, nämlich den Abstand des Arbeitspunktes zur Resonanz, die Resonanzstärke und den "detuning-Parameter", der beschreibt wie die Resonanz auf Teilchen mit unterschiedlichen Amplituden wirkt. Durch die analytische Betrachtung der Resonanzstärke in Hinblick auf die entscheidenden Größen der Magnetoptik, d.h. die Twiss-Optikfunktionen und die Sextupolstärken zeigt sich ein unterschiedliches TRIBs verhalten für systematischen Resonanzen und nicht-systematische Resonanzen. Bei nicht-systematischen Resonanzen muss die Periodizität der Magentoptik gestört werden um TRIBs zu erzeugen. Bei systematischen Resonanzen, muss der Arbeitspunkt sowohl des Rings als auch seiner sich wiederholenden periodischen Einheitszelle die Resonanzbedingung dritter Ordnung erfüllen um TRIBs zu erzeugen. / Transverse resonance island buckets (TRIBs) is a special accelerator optics mode where the storage ring is tuned close to a nonlinear resonance and this results in the production of a secondary stable orbit, well separated from the main one. This orbit corresponds to islands in transverse phase space and it can be filled with bunches independently from the main orbit to some extent. This thesis investigates the possibility of implementing the TRIBs mode in the multi-bend achromat (MBA) lattice candidates of BESSY III right from the beginning when strong nonlinearities due to sextupole magnets are present. A resonant Hamiltonian is derived using the perturbative techniques of nonlinear dynamics, valid close to third-order horizontal resonances. This Hamiltonian contains three parameters that fully determine the structure of the phase space with islands namely the distance from the resonance in tune space, the resonance strength, and the detuning, a parameter that gives the rate at which particles with different amplitudes hit the resonance. By calculating the resonance strength analytically in terms of the lattice quantities such as the Twiss functions and the sextupole strengths, two types of resonances are revealed in a transparent manner and it is shown that close to these third-order resonances, islands can be established. The first one is the random resonance where the periodicity of the lattice needs to be broken to have islands. The need for a periodicity breaking is proved explicitly. The second type is the systematic resonance where the tunes of both the ring and its superperiod (repeating unit) need to satisfy a third-order resonance condition. These two types of resonances are studied and compared in detail and the stability of the two BESSY III lattice candidates with respect to TRIBs is discussed.