Der Freie-Elektronen-Laser in Hamburg (FLASH) und der geplante Europäische Röntgenlaser (XFEL) sind Quellen brillanter Strahlungspulse im extrem-ultravioletten und Röntgen-Spektralbereich. Beide Einrichtungen basieren auf supraleitenden Linearbeschleunigern (Linacs), die Elektronenstrahlen mit hoher mittlerer Leistung erzeugen und transportieren können. Mit Leistungen von 90 kW bzw. 600 kW haben diese Strahlen ein hohes Gefährdungspotenzial für verschiedene Beschleunigerkomponenten. Diese Arbeit behandelt passive und aktive Maßnahmen des Maschinenschutzes, die zur Gewähr eines sicheren Beschleunigerbetriebs notwendig sind.
Dunkelstrom aus der Elektronenquelle hat bei FLASH zur Aktivierung mehrerer Komponenten auf unakzeptable Strahlungsniveaus geführt. Der Transport des Dunkelstroms durch den Linac wird anhand von Simulationen mit einer parallelisierten und erweiterten Version des Programmes Astra untersucht. Mögliche Gegenmaßnahmen werden diskutiert und bewertet.
Strahlverluste können zur Entmagnetisierung von Undulatoren führen, die aus Permanentmagneten aufgebaut sind. Mehrere für FLASH typische Strahlverlustszenarien werden anhand von Schauersimulationen untersucht. Eine Abschirmung wird entworfen und ihre Effizienz wird untersucht. Um den Betrieb des Beschleunigers bei vollem Strahlstrom zu erlauben, muss der mittlere relative Strahlverlust in den Undulatoren auf ein Niveau von etwa 10-8 begrenzt werden.
FLASH ist mit einem aktiven Maschinenschutzsystem (MPS) ausgerüstet, das verschiedene Subsysteme und mehr als 80 auf Photomultipliern basierende Verlustmonitore umfasst. Die maximale Reaktionszeit dieses Systems beträgt weniger als 4 µs. Prozeduren und Algorithmen zur Einrichtung und Kalibrierung von MPS-Subsystemen und Komponenten werden vorgestellt, und mit dem Betrieb zusammenhängende Probleme werden behandelt.
Schließlich wird die Architektur eines neuen, durchgängig programmierbaren Maschinenschutzsystems für den XFEL vorgestellt. Mehrere Optionen für die Topologie dieses Systems werden untersucht. Eine Verfügbarkeit von mindestens 0.999 für dieses System ist mit moderaten Hardware-Anforderungen erreichbar.
The Free-Electron Laser in Hamburg (FLASH) and the future European X-Ray Free-Electron Laser (XFEL) are sources of brilliant extreme-ultraviolet and X-ray radiation pulses. Both facilities are based on superconducting linear accelerators (linacs) that can produce and transport electron beams of high average power. With up to 90 kW or up to 600 kW of power, respectively, these beams hold a serious potential to damage accelerator components. This thesis discusses several passive and active machine protection measures needed to ensure safe operation.
At FLASH, dark current from the rf gun electron source has activated several accelerator components to unacceptable radiation levels. Its transport through the linac is investigated with detailed tracking simulations using a parallelized and enhanced version of the tracking code Astra; possible remedies are evaluated.
Beam losses can lead to the demagnetization of permanent magnet insertion devices. A number of beam loss scenarios typical for FLASH are investigated with shower simulations. A shielding setup is designed and its efficiency is evaluated. For the design parameters of FLASH, it is concluded that the average relative beam loss in the undulators must be controlled to a level of about 10-8.
FLASH is equipped with an active machine protection system (MPS) comprising more than 80 photomultiplier-based beam loss monitors and several subsystems. The maximum response time to beam losses is less than 4 µs. Setup procedures and calibration algorithms for MPS subsystems and components are introduced and operational problems are addressed.
Finally, an architecture for a fully programmable machine protection system for the XFEL is presented. Several options for the topology of this system are reviewed, with the result that an availability goal of at least 0.999 for the MPS is achievable with moderate hardware requirements.