Kurzfassung
Ein Elektron-Positron Linear Collider mit einer Schwerpunktsenergie von 500 GeV
gilt als Option für zukünftige Experimente in der Elementarteilchenphysik. Ein
wichtiger Parameter eines Colliders ist die Luminosität, d.h. die Kollisionsrate der
beschleunigten Teilchen am Wechselwirkungspunkt. Um eine hohe Luminosität zu
erzielen, ist eine möglichst geringe Emittanz beider Strahlen erforderlich, wobei
die Emittanz ein Mass für die Verteilung der Teilchen im Phasenraum darstellt.
Störwellenfelder (engl. Wake Fields), vom Strahl im Zusammenwirken mit seiner
Umgebung erzeugte elektromagnetische Felder, wirken auf nachfolgende Teilchen
und führen somit zu einer Emittanzaufweitung. Dies geschieht sowohl transversal
als auch longitudinal.
Diese Störwellenfelder können als Überlagerung von Moden höherer Ordnung (engl. Higher Order Modes, HOMs) dargestellt werden. Diese Arbeit beschreibt theoretische und experimentelle HOM-Studien an den Beschleunigungsstrukturen zweier Linear Collider Konzepte, SBLC (S-Band Linear Collider) und TESLA (TeV Energy Superconducting Linear Accelerator).
In den normalleitenden 3 GHz-Beschleunigungsstrukturen des S-Band Linear Colliders wurden gezielt Moden höherer Ordnung durch den Strahl angeregt und sowohl durch spezielle Sensoren als auch durch ihren Effekt auf den Strahl untersucht. In dieser Arbeit werden Messungen mit Einzelbunchen und mit Bunchzügen diskutiert.
Im Falle der supraleitenden 9-zelligen TESLA-Strukturen wurden die Untersuchungen mit Hilfe des Strahls und auf einem speziellen Teststand durchgeführt. Bei den Experimenten am Strahl stellte sich heraus, dass einige Moden in einzelnen Kavitäten unerwartet schlecht gedämpft sind. Detaillierte Studien einer einzelnen solchen Mode auf dem Teststand deuten darauf hin, dass die durch die benachbarten Kavitäten erzeugten Randbedingungen dies hervorrufen könnten. Simulationen der Multi-Bunch Strahldynamik in TESLA zeigen, dass das Emittanzwachstum durch Störwellenfelder sowohl für das TESLA Basisdesign mit 9-zelligen Kavitäten als auch für sogenannte Superstrukturen tolerabel ist.
An electron-positron linear collider with a center-of-mass energy of 500 GeV is considered to be an essential instrument for future experiments in particle physics. An important parameter of a collider is the luminosity, the collision rate of the particles.In order to obtain a high luminosity, the emittance of the beam, a measure of the distribution of transverse positions and angles of the particles, has to be very small.
Wake fields are the main source of emittance increase for ultra-relativistic bunches. They are electromagnetic fields generated by the beam itself interacting with the environment,for example with the accelerating structures, and act back on the following particles.The consequence is usually an enlargement of the energy distribution and an increase in the transverse emittance. Wake fields can be decomposed in the so-called higher order modes (HOM), resonant electromagnetic fields. This thesis covers studies of HOMs in the proposed accelerating structures for two linear colliders: the SBLC (S-Band Linear Collider) and TESLA (TeV Energy Superconducting Linear Accelerator). Experimental investigations and simulations have been made.
In the normal conducting accelerating structure for the SBLC, working at 3 GHz, modes have been excited using particle beams. HOMs have been studied both directly at special pick-ups and indirectly through their effect on the beam. The measurements made with single bunches and with bunch trains are discussed.
The HOMs of superconducting 9-cell TESLA cavities working at 1.3 GHz have been studied both using a beam of charged particles and on a test bench. Through experiments with beam, some modes have been found to be unexpectedly poorly damped in several cavities. Detailed studies made in the laboratory of one such mode have indicated the boundary conditions of the fields imposed by the neighboring cavities to be a possible cause. Simulations of the multi-bunch beam dynamics in the TESLA main linac show that the emittance growth due to wake field effects is within tolerable limits both for the TESLA base line design, using 9-cell cavities, and for the design based on so-called superstructures, groups of multi-cell cavities.