Laser-initiierte Freie Elektronen Laser (FEL) und Energy Recovery Linearbeschleuniger (ERL) erfordern höchste Stabilität der beschleunigten Elektronenpakete. Die zeitliche Streuung der Elektronenpakete und die mittlere Energieabweichung in den Undulatoren sollten in der Grössenordnung von Femtosekunden bzw. im Promille Bereich liegen. Das erfordert eine Regelung der Hochfrequenz (HF) Beschleunigungsfelder in den supraleitenden Hohlraumresonatoren bis zu 0.02° Phasen- und 1e-4 Amplitudengenauigkeit. Die TESLA Resonatoren des 2.3 GeV Linearbeschleunigers des geplanten BESSY-FEL sollen im Dauerstrichbetrieb bei geringer Strahllast betrieben werden. Die HF Resonanzbreite ist folglich sehr schmalbandig und liegt im Bereich von 10 Hertz. Um die erreichbare Feldstabilität zu erfassen, wurden die Resonatoren einem umfangreichen Messprogramm in der HoBiCaT Testanlage unterzogen. Eine Charakterisierung der vollständigen Resonatoreinheit hinsichtlich der mechanischen Verstimmung durch Mikrophonie, statische -und dynamische Lorentzkraftverstimmung, ihrer mechanischen Eigenschaften und HF-System Rauschen erbrachte wichtige Daten, um die zu erwartende Feld -und somit Strahlstabilität im Linac zu simulieren. Die gemessene Mikrophonie betrug 1-5 Hz rms, ist somit eine dominante Fehlergröße und wirkt sich limitierend auf die Strahlstabilität im Linac aus. Um sie zu minimieren, wurden aktive Dämpfungsmethoden entwickelt. Dazu wurden unterschiedliche mechanische Abstimmungssysteme mit integrierten Piezoelementen getestet. Ein adaptiver, vorauskompensierender Regelungsalgorithmus wurde entwickelt, welcher die gemessene Transferfunktion der Abstimmvorrichtung beinhaltet. Damit wurde eine Kompensierung der Mikrophonie um einem Faktor von zwei bis sieben erreicht. Die Einbeziehung dieser Regelung in die Linacsimulationen zeigte, dass diese einen wichtigen Beitrag zur Erreichbarkeit der benötigten Strahlstabilität für zukünftige FELs und ERLs darstellt. / In seeded High-Gain-Harmonic-Generation free electron lasers or energy recovery linear accelerators the requirements for the bunch-to-bunch timing and energy jitter of the beam are in the femtosecond and per mill regime. This implies the ability to control the cavity radio-frequency (RF) field to an accuracy of 0.02° in phase and up to 1e-4 in amplitude. For the planned BESSY-FEL it is envisaged to operate 144 superconducting 1.3 GHz cavities of the 2.3 GeV driver linac in continuous wave mode and at a low beam current. The cavity resonance comprises a very narrow bandwidth of the order of tens of Hertz. Such cavities have been characterized under accelerator like conditions in the HoBiCaT test facility. It was possible to measure the error sources affecting the field stability in continuous wave (CW) operation. Microphonics, the main error source for a mechanical detuning of the cavities, lead to an average fluctuation of the cavity resonance of 1-5 Hz rms. Furthermore, the static and dynamic Lorentz force detuning and the helium pressure dependance of the cavity resonance have been measured. Single cavity RF control and linac bunch-to-bunch longitudinal phase space modeling containing the measured properties showed, that it is advisable to find means to minimize the microphonics detuning by mechanical tuning. Thus, several fast tuning systems have been tested for CW operation. These tuners consist of a motor driven lever for slow and coarse tuning and a piezo that is integrated into the tuner support for fast and fine tuning. Regarding the analysis of the detuning spectrum an adaptive feedforward method based on the least-mean-square filter algorithm has been developed for fast cavity tuning. A detuning compensation between a factor of two and up to a factor of seven has been achieved. Modeling the complete system including the fast tuning scheme, showed that the requirements of the BESSY-FEL are attainable.

At the Forschungszentrum Rossendorf the build-up of the superconducting 1.3 GHz accelerator ELBE is still in progress. Furthermore a new sc photo injector (SRF gun) is under development, which should accelerate electrons up to 10 MeV at 1.3 GHz frequency. The use of electron accelerators is also more and more interesting for applications where the destructive potential of the electrons are used like sterilization of medical waste and medical products, food irradiation or decontamination of sewage. For these processes a high power is required to achieve a high product throughput in a plant. The aim is therefore to use beam powers of around 100 kW or more. Since the applications of electron accelerators in industrial environments are steadily increasing one can speculate about transferring the above named state of the arte technology to industrial electron accelerators. At the FZR a feasibility study of such a table top electron accelerator (TTE) has been performed to investigate its technical limits and marketabilitys.

Submitted by Pedro Silva Filho (pfsilva@ipen.br) on 2017-11-22T17:35:38Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2017-11-22T17:35:38Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / O projeto de doutorado tem como objetivo estudo e montagem de um sistema laser que gere feixe laser de comprimento de onda sintonizável continuamente, com intervalo espectral na região infravermelho (IV) próximo e médio. O trabalho foi dividido em três partes: (i) laser de Nd:YAG @1064nm, (ii) aplicação deste sobre uma cavidade ressonante OPO e (iii) simulação de cavidades laser em anel. O laser de Nd:YAG foi montado e aprimorado a partir de outro laser desenvolvido anteriormente, o qual foi transformado em fonte polarizada pela inserção de um elemento óptico no seu interior. Em comparação com o laser não polarizado, ele apresentou potência de saída com valores relativamente altos, com um máximo de 30W, e melhora do fator de qualidade do feixe de M2<1,3 mais próximo do valor ideal igual a 1 e assim próximo do modo TEM00, adequado para aplicações de transferência de energia. A aplicação do laser Nd:YAG polarizado sobre uma cavidade OPO linear (meio ativo: cristal de Niobato de Lítio dopado 5%MgO:LiNbO3 com alternância de polarização, conhecido pela sigla PPLN) foi bem sucedida, por ter sido observado seu funcionamento pela geração em seu meio ativo dos feixes (&lambda;S, &lambda;C) sinal e complementar sintonizados continuamente, mostrando que valores de potência e fator de qualidade foram adequados e suficientes para ser testado em um OPO. Foi mensurada na saída potencia de 1W para o feixe complementar, onde a eficiência de inclinação da curva mostrou valores de 20,8% e 23,4% para bombeio pulsado (temperaturas do cristal TC=100°C/150°C), e o valor de 11,1% (TC=150°C) para bombeio contínuo. A aplicação da técnica knife-edge no feixe complementar (TC=150°C/rede periódica do cristal &Lambda;0=31,59m/ &lambda;C=2470nm) resultou em fator de qualidade do feixe de M2=5,75(165). Foi realizada simulação numérica, visando estudo e planejamento de duas cavidades em anel simétricas, com sintonização contínua dos feixes de interesse na saída. A primeira contém um cristal PPLN como meio ativo, onde ocorre Oscilação Paramétrica, gerando feixe na região espectral do IV médio. A segunda cavidade possui dois cristais, que são PPLN e Triborato de Lítio (LiB3O5 conhecido pela sigla LBO), onde ocorrem na ordem Oscilação Paramétrica e Geração de Segundo Harmônico, gerando feixe na região espectral entre visível e IV próximo. Foram obtidos dois conjuntos de valores de dimensões para as cavidades, usando base teórica e condições de contorno apropriadas ao realizar os cálculos necessários, fixadas as informações sobre os respectivos componentes ópticos, onde o feixe de bombeio @1064nm focalizado no centro do cristal PPLN possui valor de cintura de feixe pouco maior que 50 &mu;m. O laser de Nd:YAG @1064nm polarizado desenvolvido possui montagem simples e custo baixo de seus componentes, reduzindo o custo do sistema laser final onde foi aplicado, comparado com outros sistemas laser sintonizáveis. Deseja-se estudar o desenvolvimento destes para um modelo de frequência única, usando-o como fonte de bombeio para geração de feixes com largura de linha estreita, visando aplicação em espectroscopia. / Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

At the Forschungszentrum Rossendorf the build-up of the superconducting 1.3 GHz accelerator ELBE is still in progress. Furthermore a new sc photo injector (SRF gun) is under development, which should accelerate electrons up to 10 MeV at 1.3 GHz frequency. The use of electron accelerators is also more and more interesting for applications where the destructive potential of the electrons are used like sterilization of medical waste and medical products, food irradiation or decontamination of sewage. For these processes a high power is required to achieve a high product throughput in a plant. The aim is therefore to use beam powers of around 100 kW or more. Since the applications of electron accelerators in industrial environments are steadily increasing one can speculate about transferring the above named state of the arte technology to industrial electron accelerators. At the FZR a feasibility study of such a table top electron accelerator (TTE) has been performed to investigate its technical limits and marketabilitys.