Kurzfassung
Nach der Erhöhung der Luminosität der Hadron, Elektron Ring Anlage HERA spielt die Länge der Teilchenpakete (Bunche) der Protonen eine Rolle bei der erreichbaren Luminosität. Neue, stark fokussierende supraleitende Magnete in den Detektoren H1 und ZEUS führen zu kleineren Strahlquerschnitten in den Wechselwirkungsbereichen und damit zu mehr Luminosität. Wegen der starken Fokussierung haben die Betafunktion und die Bunchlänge vergleichbare Werte. Das erhöht wiederum die effektive Strahlquerschnittfläche, "Sanduhreffekt". Eine Reduktion der Bunchlänge würde kleinere effektive strahlquerschnittflächen ergeben und so die Luminosität weiter erhöhen.
Selbst bei HERA Energien von 920 GeV verlieren Protonen, aufgrund ihrer hohen Ruheenergie, nur unbedeutend Energie durch Abstrahlung von Synchrotronstrahlung. Damit existiert auch keine natürliche Dämpfung von Strahlschwingungen, wie das bei Elektronen oder Positronen der Fall ist. Kohärente Schwingungen von Protonenstrahlen führen zu einer Aufweitung der Strahlen. Kürzere Bunche bei hoher Energie sind durch das Unterdrücken der kohärenten Schwingungen, bei der Injektion und während der Beschleunigung, zu erreichen.
Zur Ermittlung einer Ursache für die kohärenten Schwingungen sind leistungsfähige Diagnosewerkzeuge unerläßlich. Deshalb wurde ein schnelles longitudinales Diagnosesystem entwickelt, das Messungen der Phasen und Längen aller 180 Bunche in Echtzeit und innerhalb eines Umlaufs gestattet. Transientes `Beam-Loading' und die Beschleunigungsfelder können mit der Diagnose der Hochfrequenzfelder in den Hohlraumresonatoren (Cavities) untersucht werden. Das HERA Vakuumsystem wurde sorgfältig entworfen, um alle Impedanzen, welche zu Strahlschwingungen führen, so klein wie möglich zu halten. Deshalb sind Maßnahmen notwendig, um Schwingungen zu unterdrücken. Das schnelle Diagnosesystem stellt die Eingangssignale bereit, die für ein HF Feedforward und ein Multibunch-Feedback notwendig sind.
Das neue Diagnosesystem ermöglicht neuartige Beobachtungen und Experimente bei HERA. Man kann gekoppelte Schwingungen aller Bunche während der Beschleunigung von der Injektionsenergie zur Speicherenergie beobachten, die mit einer Zunahme der longitudinalen Emittanz einhergehen. Der Einfluß der Bunchschwingungen auf die transienten Beam-Loading Felder ist nachweisbar. Messungen der longitudinalen Strahl Transferfunktion und Messungen der Dekohärenzzeiten, zusammen mit Strahlechos, liefern wichtige strahldynamische Parameter. Weil eine weitere Reduktion der Gesamtimpedanz nicht einfach realisierbar ist, muß die Unterdrückung von gekoppelten Schwingungen durch aktive Systeme erfolgen. Die Resultate dieser Dissertation stellen die Informationen zur Verfügung, die für den Entwurf eines Multibunch Feedback Systems notwendig sind. Die Aufgabe eines solchen Systems ist die Erhaltung der longitudinalen Emittanz.
After the luminosity upgrade of the electron proton collider HERA, the proton bunch length will become relevant for the achievable luminosity. New, strong focussing, superconducting magnets inside the detectors H1 and ZEUS lead to smaller cross sections at the interaction regions and with that, to higher luminosity. Due to the strong focussing, the beta function and the bunch length have a comparable magnitude. This enhances the effective cross section, "hour-glass-effect". A reduction of the bunch length would result in smaller effective cross sections and so further increase the luminosity.
Even at HERA energies of 920 GeV, protons do not lose a significant amount of energy, due to synchrotron radiation, because of their large rest mass. Hence, there is no natural damping of unwanted beam oscillations, as is the case for electrons or positrons. Coherent oscillations of the proton beam lead to an increase of the beam dimensions. Shorter bunch lengths at high energy are achievable by suppressing the coherent oscillations at injection and during acceleration.
For an investigation of the origin of coherent oscillations, powerful longitudinal diagnostic tools are indispensable. Therefore, a fast longitudinal diagnostic system was developed, which permits real time measurements of bunch phase and length for all 180 bunches during one turn. Beam loading transients and the accelerating voltages can be examined with a fast cavity field diagnostic. The vacuum system of the HERA proton ring was carefully designed to keep the impedance, which could drive beam oscillations, as low as possible. Therefore, measures are needed to suppress the oscillations. The fast longitudinal diagnostic system provides the signals, needed for a RF feedforward and a coupled-bunch feedback.
The new diagnostic system permits novel observations and experiments at HERA. One can observe coupled-bunch oscillations during acceleration, which are correlated with an increase in the longitudinal emittance. The impact of bunch oscillations on the beam loading transients can be demonstrated. Measurements of the longitudinal beam transfer function and measurements of decoherence times, together with beam echoes, yields important beam dynamical parameters. Since a further reduction of the all over impedance is not easily achievable, the suppression of coupled-bunch oscillations must be done by active systems. The results obtained in this thesis, provide the necessary information for the design of a coupled-bunch feedback system, whose task is the preservation of the longitudinal emittance.