Die vorliegende Arbeit behandelt die radiometrische Nutzung von Wellenlängenschiebern an Elektronenspeicherringen. Die grundsätzlichen Aspekte der Radiometrie, der technischen Voraussetzungen und des Einflusses von Wellenlängenschiebern auf den Speicherring werden am Beispiel eines bei BESSY installierten Gerätes aufgezeigt. Ein Großteil der Rechnungen wurden mit dem Programm WAVE durchgeführt, das im Rahmen der Arbeit entwickelt wurde. WAVE erlaubt die Berechnung der Synchrotronstrahlung von Wellenlängenschiebern mit einer relativen Unsicherheit von 1/100000. Maschinenphysikalische Eigenschaften eines Wellenlängenschiebers und eine Erzeugenden-Funktion für symplektische Tracking-Rechnungen können ebenfalls mit WAVE berechnet werden. Letztere wurden in den Tracking-Code BETA implementiert. Damit lassen sich die Einflüsse von Insertion Devices auf die dynamische Apertur und die Emittanz des Speicherringes untersuchen. Die Ergebnisse dieser Studien führten zum Konzept alternierender High- und Low-Beta-Sektionen, die den Betrieb supraleitender Insertion Devices bei BESSY-II ohne signifikante Störung der Speicherringoptik ermöglichen. Um auch die experimentelle Seite der Radiometrie an Wellenlängenschiebern zu untersuchen, wurde ein Programm auf der Basis des Monte-Carlo-Codes GEANT4 entwickelt. Es erlaubt die Simulation der radiometrischen Messung und der Absorptionseigenschaften des Detektors. Mit den entwickelten Programmen wurden erste radiometrische Messungen der PTB analysiert. Ein Vergleich zwischen Messungen und Rechnung zeigt eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit Abweichungen von ca. fünf Prozent für Messungen im Energiebereich zwischen 40 keV und 120 keV hinter einem 1-mm-Kupferfilter. Eine bessere Übereinstimmung wurde im Bereich von 20 - 80 keV ohne Kupferfilter erzielt. In diesem Fall stimmen die gemessenen Daten im Rahmen der systematischen Unsicherheiten von zwei Prozent mit den Rechnungen überein. / Subject of this thesis are the operation of wave-length shifters at electron storage rings and their use in radiometry. The basic aspects of the radiometry, the technical requirements, the influence of wave-length shifters on the storage ring, and results of first measurements are presented for a device installed at BESSY. Most of the calculations are carried out by the program WAVE, which has been developed within this thesis. WAVE allows to calculate the synchrotron radiation spectra of wave-length shifters within an relative uncertainty of 1/100000. The properties of wave-length shifters in terms of accelerator physics as well as a generating function for symplectic tracking calculations can also be calculated by WAVE. The later was implemented in the tracking code BETA to investigate the influence of insertion devices on the dynamic aperture and emittance of the storage ring. These studies led to the concept of alternating low- and high-beta-sections at BESSY-II, which allow to operate superconducting insertion devices without a significant distortion of the magnetic optics. To investigate the experimentel aspects of the radiometry at wave-length shifters, a program based on the Monte-Carlo-code GEANT4 has been developed. It allows to simulate the radiometrical measurements and the absorption properties of detektors. With the developed codes first radiometrical measurements by the PTB have been analysed. A comparision of measurements and calculations show a reasonable agreement with deviations of about five percent in the spectral range of 40 - 60 keV behind a 1-mm-Cu filter. A better agreement was found between 20 keV and 80 keV without Cu filter. In this case the measured data agreed within a systematic uncertainty of two percent with the results of the calculations.

Inhalt dieser Arbeit ist die Design-Studie für einen kompakten Niederenergie-Elektronenspeicherring für die Radiometrie. Im Ring sollen Elektronen mit Energien im Bereich von 200 MeV bis 600 MeV gespeichert werden können, wobei die Emittanz möglichst klein und die Strahllebensdauer über den gesamten Energiebereich bei einem Strom von 100 mA mindestens eine Stunde sein sollten.Diese Vorgaben wurden in Abstimmung mit einem der potentiellen Hauptnutzer, der Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), festgelegt und sollen den Speicherring zu einer optimalen Synchrotronstrahlungsquelle für die Radiometrie im ultravioletten und vakuumultravioletten Spektralbereich mit Photonenenergien zwischen etwa 5 eV und 200 eV machen. Im Rahmen dieser Arbeit werden die aus physikalischer Sicht wichtigsten Teilsysteme eines Speicherringes konzeptioniert: Magnetoptik, Hochfrequenz-, Vakuum-, Diagnose- und Injektionssystem sowie die Magnetauslegung. Außerdem werden die zu erwartenden Synchrotronstrahlungsspektren berechnet. Der entworfene Speicherring hat einen Umfang von 34.2 m und besteht aus zwei "Triple Bend Achromat"-Bögen, die durch gerade Strecken miteinander verbunden sind. In eine dieser geraden Strecken kann ein maximal 5.6 m langes "Insertion Device" eingebaut werden, die andere ist durch die Injektionselemente und das Hochfrequenz-Cavity belegt. Insgesamt können mit dem Design des hier vorgestellten Speicherringes alle gestellten Anforderungen erfüllt werden: die natürliche Emittanz ist vergleichsweise niedrig und liegt bei günstigen linearen und nichtlinearen Eigenschaften der Magnetoptik nah an ihrem minimal möglichen Wert. Mit der gewählten Auslegung von Magnetoptik, Hochfrequenz- und Vakuumsystem beträgt die Strahllebensdauer mit einem Speicherringstrom von 100 mA bei niedrigen Elektronenenergien zwischen (200...300)MeV etwas über eine Stunde und steigt auf mehr als sechs Stunden bei der Maximalenergie von 600 MeV. Die Strahllebensdauer übertrifft damit im gesamten Energiebereich die Vorgabe. / The subject of this work is the preparation of a design study for a compact low energy electron storage ring for radiometry in the ultraviolet and vacuum ultraviolet spectral range. Electrons with energies between 200 MeV and 600 MeV are to be stored. A small natural emittance is desired and the lifetime of a stored electron beam of 100 mA should not be less than one hour in the considered energy range. These major guidelines have been fixed in cooperation with one of the potential main users, the Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB), to optimize the storage ring for radiometric applications in the ultraviolet and vacuum ultraviolet spectral range with photon energies from approximately 5 eV to 200 eV. In this work the physical layout for the most important subsystems is given: magnet optics, rf-, vacuum-, diagnostic and injection system as well as the main magnet design. Additionally the expected synchrotron radiation spectra are calculated. The storage ring has a circumference of 34.2 m and consists of two Triple Bend Achromat cells, connected by two long straight sections. In one of these straight sections a 5.6 m long insertion device can be build in. The other one is occupied by the injection elements and the rf-cavity. All aspired guidelines are feasible with the presented storage ring design: the natural emittance is comparably small and with good linear and nonlinear optical properties close to its minimum value. With the presented solution (magnet optics, rf- and vacuum-system) the electron beam lifetime with 100 mA ring current is slightly above one hour at energies between (200...300) MeV and increases to more than 6 hours at the maximum energy of 600 MeV. Thus beam lifetime exceeds the guidelines at all energies.

Das Auftreten kohärenter Schwingungen gekoppelter Teilchenpakete führt in modernen Elektronenspeicherringanlagen zu einer wesentlichen Beeinträchtigung ihrer Leistungsfähigkeit als Synchrotronstrahlungsquelle. Diese Instabilitäten können in longitudinaler und transversaler Richtung auftreten und führen neben der Verminderung der Brillanz des Synchrotronlichts im ungünstigsten Fall zum Strahlverlust. Das wirkungsvollste Instrument zur Beherrschung der Instabilitäten ist ein Rückkoppelsystem (Feedbacksystem), welches die angeregten Schwingungsamplituden detektiert und dämpft. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Auslegung, der Entwicklung und der Inbetriebnahme zweier von ihrem Aufbau her völlig unterschiedlicher Systeme zur Korrektur von longitudinalen Synchrotronschwingungen und transversalen Betatronschwingungen. Dabei schließt das transversale Feedbacksystem sowohl die horizontale als auch die vertikale Strahlachse ein. Beide Systeme beschränken sich nicht auf die Dämpfung bestimmter Schwingungsmoden, sondern sind so ausgelegt worden, daß alle Teilchenpakete unabhängig voneinander stabilisiert werden. Innerhalb von zwei Jahren konnten alle relevanten Komponenten entwickelt, gebaut und in Betrieb genommen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird auf den Aufbau und die Funktionsweise wichtiger Systembausteine eingegangen und der Prozeß der Inbetriebnahme der Feedbacksysteme erläutert. Meßresultate belegen die Effizienz beider Systeme, die im Nutzerbetrieb kontinuierlich zur Dämpfung von Instabilitäten bei Strömen bis zu 220 mA eingesetzt werden. Der durch die Inbetriebnahme der Rückkoppelsysteme gewonnene Nutzen für die Experimentatoren konnte im Rahmen dieser Arbeit nachgewiesen werden. Damit verfügt BESSY-II über leistungsfähige Feedbacksysteme, die kohärente Schwingungen aller Phasenraumkoordinaten dämpfen und damit die Anforderungen an die Quellgröße einer Synchrotronstrahlungsquelle der 3. Generation gewährleisten. / The appearance of coherent coupled bunch oscillations in modern electron storage rings contributes to a significant reduction of the performance as a synchrotron light source. These instabilities occur in longitudinal as well as in transversal directions and lead to a reduction of brilliance and in the worst case to beam loss. The most effective tool for controlling the instabilities is a feedback system, which detects and damps the excited oscillation amplitudes. This thesis describes the development, installation and commissioning of two completely different systems for damping of longitudinal synchrotron oscillations and transversal betatron oscillations. The transverse feedback system incorporates the horizontal as well as the vertical beam direction. Both systems are not restricted to damping certain modes of oscillation, but have been designed for the independent stabilization of all bunches separately. All components have been designed, built and commissioned within two years. In the scope of this thesis the development and the functionality of important components will be explained and the process of commissioning will be described. Measurements emphasize the efficiency of both systems, which are being used continuously for damping instabilities during user operation up to currents of 220 mA. In the scope of this thesis the improved experimental conditions for the user of the synchrotron light could be shown. Consequently, BESSY II possesses two efficient feedback systems which damp coherent oscillations of all phase space coordinates and guarantee the requirements to the source size of a 3rd generation light source.

BESSY II ist eine Strahlungsquelle der dritten Generation, die vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH für Experimente mit Synchrotronstrahlung betrieben wird. Mehrere Betriebsmodi werden am BESSY II Speicherring angeboten bzw. entwickelt, um die Anforderungen der vielfältigen Nutzergemeinde zu erfüllen. Dazu gehören nicht nur ein komplexes Füllmuster im Standardnutzerbetrieb, sondern auch spezielle Betriebsmodi mit kurzen Pulsen oder das sogenannte Transverse Resonant Island Buckets Separationsschema. Die Komplexität des Füllmusters erfordert eine pulsaufgelöste Strahldiagnose für die Inbetriebnahme und zur Sicherstellung der langfristigen Qualität des Beschleunigerbetriebs. Ferner werden für den Kurzpulsbetrieb Pulslängenmessungen mit ps Auflösung benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit wird zu diesem Zweck eine neue Diagnoseplattform mit mehreren Strahlrohren aufgebaut. Jeweils ein Strahlrohr ist für transversale Strahlgrößenmessungen und für longitudinale Strahldiagnose vorgesehen. Beide Strahlrohre sind mit Messapperaturen für pulsaufgelöste Messungen ausgestattet. Hauptfokus dieser Arbeit liegen auf dem Design, der Installation und den Verbesserungen dieser Strahlrohre und den zugehörigen Meßgeräten in Kombination mit spezifischen Anwendungen in der Strahldiagnose an BESSY II. Im Allgemeinen erfordern Kopplungen zwischen Zeit- und Raumkoordinaten pulsselektive und korrelierte Detektionsmethoden mehrerer Parameter. Daher sind die longitudinale Diagnose sowie die Streak Kamera so optimiert worden, dass die direkte Abbildung des transversalen Strahlprofils möglich ist und sogar interferometrische Strahlgrößenmessungen durchführbar. Zusätzlich zur Zeitachse der Streak Kamera kann entweder die horizontale oder die vertikale Dimension des Strahls abgebildet werden und dadurch sind 2D-Messungen möglich. Mit dieser Methode wurden mehrere pulsaufgelöste 2D-Messungen durchgeführt und Analysemethoden entwickelt. / BESSY II is a third generation light source operated by the Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH for experiments with synchrotron radiation. Multiple operation modes are offered or are under development at the BESSY II storage ring to serve the needs of its diverse user community. This does not only include a complex fill pattern in standard operation, but also special operation modes featuring short pulses or the new transverse resonant island buckets separation scheme. The complexity of the fill pattern requires bunch-resolved diagnostics for commissioning and to ensure the long-term quality of accelerator operation. In addition, short pulse operation demands bunch length measurements with ps resolution. For this purpose a new diagnostics platform featuring multiple beamlines is set up. One beamline is dedicated for transverse beam size measurements and one for longitudinal diagnostics. Both beamlines are equipped with fast gated devices for bunch-resolved measurements. Design, installation and improvements of these beamlines and the measuring devices are the main focus of this work, together with specific BESSY II bunch diagnostics applications. In general, coupling between time- and space-coordinates do call for bunch-selective and correlated multi-parameter detection methods. Thus, the longitudinal diagnostics beamline and the streak camera have been made capable of direct transverse beam-profile imaging and even interferometric beam size measurements are feasible. Either the horizontal or vertical beam dimension can be imaged in addition to the time axis of the streak camera and 2D measurements are possible. Taking advantage of these capabilities, multiple bunch-resolved 2D measurements have been performed and analysis methods have been developed.

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.