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<p>The Duke storage has been developed as a dedicated driver for the storage ring based free-electron lasers (FEL) and a high flux Compton gamma-ray source, the High Intensity Gamma-ray Source. The storage ring can be operated from about 250 MeV to 1.2 GeV, which can produces FEL lasers over a wide range of wavelengths and gamma-rays with a tunable energy from 1 MeV to 100 MeV. The Duke light source facility conducts world-class researches across a wide range of scientific disciplines and technological applications.</p><p> In a storage ring, beam instabilities can cause a signifcant degradation in machine performance. In the Duke storage ring, coupled-bunch instabilities (CBIs) are the main source which limit ultimately achievable beam current in multi-bunch operations. In order to to suppress CBIs in the Duke storage, we developed a bunch-bybunch longitudinal feedback (LFB) system which is based on a field programmable gate array (FPGA) embedded system. During the design and implementation of the LFB system, several novel methods and techniques are developed in numerical analysis of feedback control and kicker cavity design/fabrication. High current are realized at low energies by using the LFB system. In addition, after the successful commissioning of the LFB system, a analog transverse feedback (TFB) system has been upgraded to a digital one using the same technique as the LFB system. </p><p>The LFB system has been routinely operated for HIGS. Additional,the LFB and TFB feedback systems become an useful diagnostic tools in researches of electron beam dynamics, FEL lasing process, and background of HIGS. The control of CIBs in different operation modes are studied using the feedback system. Furthermore, based on the TFB system, a novel bunch cleaning method has been developed to reduce the background of gamma-ray.</p> / Dissertation

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Devices that exploit the properties of quantum mechanics for their operation can offer unique advantages over their classical counterparts. Interference of matter waves can be used to dramatically increase the rotational sensitivity of gyroscopes. Complete control of the quantum evolution of a system could produce a new powerful computational device known as a quantum computer. Research into these technologies offers a deeper understanding of quantum mechanics as well as exciting new insights into many other areas of science. Currently, a limiting factor in many quantum devices using neutral atoms is accurate motional control over the atoms. This thesis describes two recent advancements in neutral atom motional control using both magnetic and electromagnetic confining fields. Part I reports on the demonstration of the first storage ring for neutral atoms. This storage ring may one day provide the basis for the world's most sensitive gyroscope. Part II describes the optical delivery of neutral atoms into the mode of a high-finesse cavity for applications in quantum computing and communication.

Le contexte de cette thèse est l'étude de la cohérence partielle dans les faisceaux synchrotron produits par les anneaux de stockage de basse émittance, comme l’ESRF-EBS. L'objectif principal est la compréhension et l'application de la physique sous-jacente pour l'implémentation et le développement d'outils de calcul.Nous développons d’abord une théorie de l'optique-statistique pour les radiations émisses par des anneaux de stockage qui est basée sur le théorème de Kim et sur les contributions de Geloni et al. Nous utilisons ces formules d'une manière détaillée et légèrement différente. Nous insistons sur l'importance des paramètres stochastiques des faisceaux d'électrons pour décrire les propriétés de cohérence. Nous observerons que la longueur du paquet des électrons n’affecte pas les propriétés de la cohérence s’il y a un couplage faible entre la position longitudinal de l’électron et ses autres paramètres.Nous avons construit une description de l'optique statistique pour l’émission synchrotron liée aux modes de cohérence. Nous voyons qu'un ensemble est complètement cohérent si et seulement si ses modes de cohérences se réduisent a un seul mode. Geloni et al. mentionnent que l’émission d’un synchrotron est un processus stochastique gaussien. Nous ajoutons qu’il a une moyenne nulle et il est symétrique circulaire. En conséquence nous pouvons donner une interprétation physique au degré de cohérence spectrale en termes de densité de probabilité conditionnée de forme gaussienne.Nous avons développé et implémenté un algorithme qui calcule la décomposition de la densité spectrale en modes de cohérences. Il peut être appliqué à un faisceau d'électrons avec un paramètre Twiss-alpha fini et une dispersion d’énergie. Nous avons implémenté deux versions de l'algorithme. La première résout l'équation de Fredholm dans une base de fonctions constantes par morceaux. Les calculs pour les hautes harmoniques d'un onduleur et pour des émittances relativement larges demandent une trop grande mémoire pour être calculées. Pour réduire la mémoire requise, nous avons développé une méthode en deux pas. On résout d'abord l'équation pour un faisceau d'électron de divergence nulle, puis on ajoute les effets de la divergence dans un second temps.Nous présentons des tests approfondis qui incluent une distribution des électrons du type fonction delta, des champs électriques gaussiens dont les résultats analytiques sont connus, ainsi qu'une comparaison avec des résultats Monte Carlo produits par SRW.Nous appliquons cet algorithme sur un nombre de cas particuliers. Nous déterminons combien de modes sont nécessaires pour inclure 95% de la densité spectrale et comment le degré de cohérence spectrale change. Nous trouvons que la dispersion d'énergie ajoute des modes de cohérence. Cet effet est négligeable pour des anneaux courants mais pour l’ESRF-EBS elle ajoute des nouveaux modes. Des onduleurs plus courts et des plus hautes harmoniques augmentent le nombre de modes. Une comparaison entre un onduleur placée dans un point avec alpha fini et dans un point symétrique ne montre pas de différences significative. Une réduction artificielle de l’émittance du anneau ESRF-EBS montre un décroit du nombre de mode jusqu’à arriver à un seul mode.Nous avons simulé une ligne de lumière simplifiée focalisant 1:1. Une réduction de la taille de l'ouverture change les valeurs propres du spectre vers des modes de plus en plus petits ce qui entraine aussi une réduction du flux. Nous présentons une comparaison entre la densité spectrale calculée avec l’approximation Gauss-Shell, l’approximation analytique et l’approximation de la séparation. Bien qu'il n'y a pas d'erreurs négligeables entre le calcul exact et l'approximation de la séparation, nous concluons que cette dernière peut être une bonne et rapide solution permettant des calculs sur des ordinateur portables.Nous terminons cette thèse par une discussion/des idées sur de futures recherches. / The context of this thesis is the study of the partial coherence in synchrotron beams produced by ultra low emittance storage rings, like the ESRF-EBS ring under construction. As main objectives we had the understanding, application and development of the underlying physics and the implementation of computer tools able to calculate the relevant parameters.In the first part of this thesis we develop a theory for statistical optics for storage ring radiation. It is based on the brightness convolution theorem by Kim and on the subtle but very important theoretical contributions from Geloni et al. We derive their formulas in a slightly different way or in more a detailed form.We emphasize the importance of the description of the electron beam stochastic for the coherence properties of storage ring emission. We observe that for weak coupling of the longitudinal electron position to the other beam parameters the bunch length is a free parameter in view of coherence properties.We build our description of statistical optics around coherent modes. We show that an ensemble is completely coherent if and only if its coherent mode decomposition is a single mode. Geloni et al. mentioned that the synchrotron storage ring emission is a Gaussian random process. We add that the process has zero mean and is circularly-symmetric. In consequence we can give the spectral degree of coherence a physical interpretation in terms of Gaussian shaped conditional probability densities.We developed and implemented an algorithm that calculates the coherent mode decomposition of the cross spectral density for a given wavelength. It can be applied to electron beams with finite Twiss alpha and with energy spread. We implemented two algorithms. The first version solves the Fredholm equation in a two-dimensional step function basis set. Because of its memory requirements high undulator harmonics or current lattices with high emittances cannot be calculated. To reduce the memory requirements we developed the two-step method that solves the problem first for an electron beam with zero divergence and adds the effects of the divergence in a second step. The algorithms use the eigensolver library SLEPc. The implementations of the algorithms are open source.We present extensive tests of the algorithms. They include a delta-function shaped electron beam, a Gaussian single electron reference electric field, whose results are analytically known, and comparisons to SRW Monte Carlo samplings.We apply the algorithm to some particular cases. We determine how many modes are necessary to incorporate 95% of the spectral density and how the spectral degree of coherence changes. We find that the energy spread adds extra coherent modes. This effect is negligible for current lattices but for the ESRF-EBS lattice it accounts for a significant fraction of the total modes. Shorter undulators and higher harmonics increase the number of modes. A comparison between an undulator placed at a point with finite alpha and at a symmetry point shows no significant differences. A reduction of the ESRF-EBS beam parameters show a decrease of the mode numbers until they reach a single mode. We simulate a simple 1:1 imaging beamline with an aperture in the image plane. A reduction of the aperture size changes the eigenvalue spectrum to fewer and fewer modes that is paid with a decrease of flux. We present a comparison of the calculated cross spectral density with a Gaussian Schell-model, an analytic approximation and a separation approximation. Although there are not negligible errors between the exact calculation and the separation approximation we come to the conclusions that the separation approximation might be a good and quick approximation that allows the calculation on portable computers.We end the thesis with some ideas for future research.

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