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Ángela Saá Hernández

• The superconducting synchrotron SIS300 is planned to be built at the new Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), at GSI-Darmstadt [1]. SIS300 will be a versatile machine, which by means of a low-energy stretcher-mode or a high-energy ramped-mode will provide slowly extracted heavy ion beams towards the experimental areas. To reach the required maximum field of 4.5 T, cos(θ) magnets are necessary. Thus, SIS300 will become the first superconducting synchrotron worldwide with cos(θ) magnets providing resonant slow extraction. Since SIS300 will be installed in the same tunnel as the SIS100 synchrotron, the dipole layout of SIS300 cannot be freely chosen. Thus, a standard lattice cannot be applied. A redesign of the SIS300 lattice accepting compromises concerning the positions and phase advances between the optical elements has been proposed. Using the analytical model of the slow extraction, firstly proposed by Kobayashi, and the analytical description of the resonance driving modes, a multiobjective optimization algorithm has been developed for the optimization of the lattice under the given boundary conditions. The final goal of the lattice optimization is a higher efficiency of the slow extraction. The results are evaluated by means of tracking simulations performed with the code Elegant. The field quality in superconducting cos(θ) magnets is determined by the positions of the superconducting cable and the static and time-dependent effects of the current in the cable. Furthermore, the fast ramp rates of 1 T/s in the dipoles, which are fifty times faster than in any other superconducting cos(θ) magnet, together with the fact that the aperture is smaller than in conventional accelerator magnets, makes it extremely difficult to obtain a high-quality magnetic field. The unavoidable field errors affect the beam dynamics and worsen the slow extraction efficiency. Therefore, the field errors in the SIS300 dipoles have been estimated, and their effects have been taken into account in the optimization algorithm. As a result a compensation scheme has been proposed, in which time-dependent gradients in the sextupoles counteract the decay of the sextupole field errors in the dipole magnets during the slow extraction. For the limits where the compensation was no longer possible, tolerances to the magnet field errors have been determined.
• Das FAIR-Projekt am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung sieht den Bau des supraleitenden Schwerionensynchrotrons SIS300 vor. Beim SIS300 handelt es sich um eine vielseitige Maschine, die Experimenten langsam extrahierte Ionenstrahlen zur Verfügung stellen kann. Dabei wird zwischen dem sogenannten "Stretcher Mode" und dem "Ramped Mode" unterschieden. Beim "Stretcher Mode" wird der im SIS100 beschleunigte Ionenstrahl in das SIS300 transferiert, aus dem der Strahl dann langsam extrahiert werden kann, während das SIS100 in dieser Zeit weitere Experimente mit hochintensiven Schwerionenstrahlen versorgen kann. Im "Ramped Mode" werden die Ionen aus dem SIS100 bis zu einer maximalen magnetischen Steifigkeit von 300 Tm weiter beschleunigt und anschlieÿend langsam extrahiert. Um die hierfür benötigten maximalen Feldstärken von 4,5 T zu erreichen, sind cos(θ)-Magnete vorgesehen. Das SIS300 wird somit das erste supraleitende Synchrotron mit cos(θ)-Magneten sein, welches eine langsame Extraktion von Ionenstrahlen ermöglicht. In dieser Arbeit wird die ionenoptische Auslegung des supraleitenden Synchrotrons SIS300 für eine hocheffiziente langsame Extraktion behandelt. Hierfür waren Lösungen für die beiden folgenden maÿgeblichen Herausforderungen zu finden: 1. Das SIS300 wird oberhalb des SIS100 im selben Tunnel installiert werden. Da der Tunnel basierend auf der SIS100 Magnetstruktur geplant wurde, legt dieser gleichzeitig die Anordnung der Dipolmagnete im SIS300 fest. Dies verhindert den Einsatz von Standardstrategien zur Positionierung der Sextupolmagnete für die langsame Extraktion. Die Auslegung der nichtlinearen Magnetstruktur muss im Falle des SIS300 mit besonderem Bedacht durchgeführt werden, um eine Anregung von Resonanzen, die zu einer Kopplung der horizontalen und vertikalen Phasenräume und damit einhergehend zu einer Reduktion der dynamischen Apertur führen würden, zu verhindern. Eine zu starke Reduktion der dynamischen Apertur hätte unkontrollierten Teilchenverlust zur Folge. Aus diesem Grund war eine maÿgeschneiderte Lösung für das SIS300 notwendig. 2. Die Feldqualität in supraleitenden cos(θ)-Magneten wird durch die Anordnung der Leiter und durch statische und zeitabhängige Stromeffekte bestimmt. Die hohe Ramprate von 1 T/s, die 50 mal schneller ist als in allen existierenden cos(θ)-Magneten, kombiniert mit der Tatsache, dass die Apertur verglichen mit konventionellen Dipolmagneten relativ klein ist, erschwert es erheblich ein magnetisches Feld hoher Güte zu erhalten. Die nicht vermeidbaren Feldfehler beeinflussen die Strahldynamik und senken die Effizienz der langsamen Extraktion. Aus diesem Grund müssen die Feldfehler der Dipolmagnete bei der Auslegung der nichtlinearen Strahlführungskomponenten berücksichtigt bzw. kompensiert werden...