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Udo Springer

• Die transversale Betatronbewegung eines Ionenstrahls, genannt Tune, stellt neben der Strahlposition die wichtigste zu messende Strahleigenschaft für den stabilen Betrieb eines Kreisbeschleunigers dar. Die Einstellung des Tunes auf einen Arbeitspunkt unterliegt engen Grenzen, da eine Vielzahl resonanter Störungen existiert, die die Teilchenbewegung beeinflussen und somit Emittanzvergrößerung und Strahlverlust hervorrufen. Den gemessenen Tune mit hoher Auflösung in Zeit und Frequenz während der gesamten Beschleunigungsphase auszugeben ermöglicht eine Justierung der ionenoptischen Elemente der Strahlführung. Dadurch läßt sich die Teilchenzahl bis zur theoretischen Raumladungsgrenze erhöhen und darüber hinaus Teilchenverluste minimieren. Die Messungen wurden an Positionssonden (BPM) des Schwerionensynchrotrons SIS18 der "GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH" mit zwei verschiedenen Meßsystemen durchgeführt, was einen Vergleich der Systemauflösungen ermöglicht. Das Direkt Digitalisierende Meßsystem (DDM) wandelt das BPM-Elektrodensignal direkt nach der Verstärkerkette mit einer Rate von 125 MSa/s in digitale Daten um. Der Strahlschwerpunkt eines jeden Einzelbunches wird daraus mittels digitaler Prozessierung berechnet und durch Fouriertransformation dessen Frequenzspektrum bestimmt. Man erhält den fraktionalen Tune dadurch direkt im Basisband. Das am CERN entwickelte und für Parameter des SIS18 adaptierte Direct Diode Detection - System (DDD) zeigt ebenfalls den Tune im Basisband. Um den zu bearbeitenden Frequenzbereich erheblich zu reduzieren, werden bei diesem Verfahren die Bunchpeakwerte, die die Strahlschwingung enthalten, über ein RC-Element analog verzögert ausgegeben. Der erhaltene Tune kann daraus mit hoher Auflösung digitalisiert werden. In der vorliegenden Dissertation werden die Meßaufbauten, die digitale Prozessierung der BPM-Daten mittels neuer Algorithmen sowie die Auswertung und Berechnung des Tunes gezeigt. Es werden typische Tuneverläufe diskutiert und ein Arbeitsbereich definiert, bei dem stabile Tunemessungen mit S/N von 30-50 dB ohne meßbare Vergrößerung der Strahlemittanz möglich sind. Die Auflösung der Tunemessung beträgt δqy = 3.50 · 10−4 und δqx = 7.97 · 10−4 für Anregungskickwinkel im Arbeitsbereich. Darüber hinaus werden physikalische Anwendungen des Systems diskutiert, indem verschiedene Einflüsse von ionenoptischen- und Strahlparametern auf den Tuneverlauf gezeigt und ausgewertet werden.
• The ion beams’ transverse betatron motion, also called its Tune, is, together with its position, the most important beam property for a stable run of a particle accelerator. The tune setup on a working point has narrow limits, as many resonant disturbancies exist, which affect particle motion, and thus can occur emittance blow-up and beam losses. To display the measured Tune with high resolution in time and frequency during the whole acceleration cycle allows for adjustment of the ion optical elements of the accelerator lattice. This leads to possible incrementation of the number of particles up to the theoretical space charge limit, and additionally to a minimization of beam losses. The Direct Digitizing Measurement System (DDM) transforms the BPM-electrode signals into digital data with a rate of 125 MSa/s directly after the BPM amplifier chain. The center-of-mass of each bunch is calculated out of it using digital processing. Using this data a fourier transform generates the fractional Tune directly in the Tune-baseband. The Direct Diode Detection - System, which has been developed at CERN and adapted for SIS18 parameters, also shows the Tune in baseband. In order to reduce the frequency bandwidth significantly, the bunch peak amplitude, which contains the beam oscillation, is dragged using a RC-element. The resulting Tune can then be sampled with high resolution. In the present dissertation the measurement setups are shown as well as the digital processing of BPM-data using new algorithms. Also the Tune evaluation and calculation is shown. Typical Tune devolution are discussed and a working region is defined, where a stable Tune measurement is possible with signal-tonoise-ratios of 30-50 dB without measurable blow-up of the beam emittance. The Tune is being measured with a resolution of Δqv = 3.50·10−4 and Δqh = 7.97·10−4 in the defined working region. In addition, physical applications of the system are discussed by showing and interpreting several influences on the Tune track by ion optical and beam parameters.