Čerenkov-Diffraktionsstrahlung in der Strahldiagnostik : Untersuchung eines potentiellen Werkzeugs für FCC-ee : von Andreas Schlögelhofer

Abstract

In den letzten Jahren führte die Untersuchung der Čerenkov-Diffraktionsstrahlung zu vielversprechenden Prototypen für ihre Anwendung in der Strahldiagnostik. In diesem Bericht wird ein Simulationsansatz zur Untersuchung der spektralen Energieverteilung von Čerenkov-Diffraktionsstrahlung präsentiert, die durch ein einzelnes geladenes Teilchen, bzw. einen Teilchenstrahl, in einem Dielektrikum erzeugt wird. Dabei liegt der Schwerpunkt der Untersuchung auf der möglichen Anwendung für den Future Circular Collider für Elektronen und Positronen (FCC-ee). Das Strahlungsspektrum, das durch ein einzelnes Teilchen erzeugt wird, ist Grundlage der Ausführungen und stammt von zwei analytischen Modellen, die eine flache bzw. eine zylindrische Geometrie berücksichtigen. Infolgedessen werden unterschiedliche Strahlungsregime charakterisiert und ihre Abhängigkeit von zentralen Strahlparametern bewertet. Die Berücksichtigung eines Teilchenstrahls führt zur Bildung eines kohärenten und eines inkohärenten Bereichs im Strahlungsspektrum. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften beider Bereiche wird die Analyse für die Strahlungsspektren der verschiedenen longitudinalen Profile der Teilchenbündel im FCC-ee in zwei Teile aufgeteilt. Für inkohärente Photonen im sichtbaren Spektrum wird die Anwendung eines Strahllagemonitors sowie die Messung des longitudinalen Profils einzelner Bündel über mehrere Zyklen untersucht. Für kohärente Strahlung im GHz-Bereich wird die Anwendung eines Strahllagemonitors mit Bandpässen und die Längenmessung der Teilchenbündel mithilfe von Intensitätsmessungen bei verschiedenen Frequenzen diskutiert. Alle diese Anwendungen könnten von den einzigartigen Eigenschaften der Čerenkov-Diffraktionsstrahlung profitieren. Ihre hohe Richtungsabhängigkeit würde es ermöglichen Hintergrundbeiträge zu minimieren. Überdies ist sie eine nicht-invasive Technik mit minimalem Einfluss auf die beschleunigten Teilchen, was sie besonders für die Anwendung in der Strahldiagnostik auszeichnet.

In recent years the investigation of Cherenkov diffraction radiation produced by charged particles passing in close vicinity of dielectric material led to promising prototypes for beam diagnostics. In this report, we present a simulation approach to investigate the radiated energy spectrum from Cherenkov diffraction radiation of a single particle and a particle bunch with a focus on its exploitation for the Future Circular Collider for electrons and positrons (FCC-ee). The radiated energy spectra of a single particle from two analytical models that describe a flat and a cylindrical radiator geometry respectively are discussed. Different radiation regimes are characterized within the various spectra and their dependency on key beam parameters is evaluated. Proceeding with the radiated energy spectrum of a bunch of particles, the formation of a coherent and an incoherent radiation regime is demonstrated. As both regimes have their distinct characteristics, the analysis is split into two parts for the radiated energy spectra of the different bunch profiles at FCC-ee. For incoherent photons emitted in the visible spectrum, the application of a beam position monitor, as well as the bunch-by-bunch measurement of the longitudinal bunch profile over several turns are investigated. For coherent radiation emitted in the multi GHz range, the application of a beam position monitor operating with bandpass filters and a bunch length measurement relying on power measurements at different frequencies are discussed. All these applications could profit from the unique characteristics of Cherenkov diffraction radiation. Its high directivity would allow to minimize background contribution and as it is a non-invasive technique it has minimal impact on the accelerated particles, which makes it a perfect candidate for future beam instrumentation devices.