Non-invasive beam diagnostic development for FCC using Cherenkov diffraction radiation in dielectric materials

Abstract

Čerenkov-Diffraktionsstrahlung bezeichnet die Emission von elektromagnetischer Strahlung, wenn sich ein geladenes Teilchen in der Nähe von dielektrischer Materie bewegt und die Geschwindigkeit des Teilchens größer ist, als die Phasengeschwindigkeit der elektromagnetischen Strahlung im Dielektrikum. Im Gegensatz zur besser bekannten Čerenkov-Strahlung beschreibt Čerenkov-Diffraktionsstrahlung eine nichtinvasive Methode der Strahlungserzeugung, da sich das geladene Teilchen nicht direkt durch das Dielektrikum bewegt. Das macht Čerenkov-Diffraktionsstrahlung zu einem vielversprechenden Strahlungsmechanismus für die Strahldiagnostik, besonders in Kreisbeschleunigern mit hohen Strahlintensitäten beziehungsweise, wenn es erforderlich ist, die Emittanz des Teilchenstrahls zu erhalten. Čerenkov-Diffraktionsstrahlung besitzt überdies weitere vorteilhafte Eigenschaften für die Anwendung in der Strahldiagnostik, wie ein breitbandiges Emissionsspektrum, die Möglichkeit große Emissionswinkel relativ zur Teilchenbahn zu realisieren und eine vergleichsweise hohe Lichtausbeute, die mit der Ausdehnung des Dielektrikums in longitudinaler Richtung in Bezug auf die Teilchenbahn skaliert. Darüber hinaus erleichtert der kleine Formfaktor von Radiatoren für Čerenkov-Diffraktionsstrahlung deren Implementierung und reduziert gleichzeitig die Komplexität des finalen Instruments. Die Messung des longitudinalen Strahlprofils mithilfe von Čerenkov-Diffraktionsstrahlung könnte eine einfachere Alternative zu Synchrotronstrahlung darstellen. Die Extraktion und Verwendung von Synchrotronstrahlung in Großbeschleunigern wie dem Future Circular Collider für Elektronen und Positronen (FCC-ee) würde viele Herausforderungen mit sich bringen, wie entsprechend lange Distanzen für die Extraktion und die hohen kritischen Energien der Photonen. Diese Dissertation nützt Čerenkov-Diffraktionsstrahlung, um spezifische Herausforderungen in der Diagnostik von Teilchenstrahlen im FCC-ee zu lösen, wobei das Hauptaugenmerk auf der bündelweisen Messung des Längsprofils der Teilchenstrahlen mit einer Auflösung im Sub-Pikosekundenbereich liegt. Je nach Betriebsweise des FCC-ee variiert die vorhergesehene Bündeldauer zwischen 6 und 52 ps (1 σ). Zahlreiche Eigenschaften von Čerenkov-Diffraktionsstrahlung werden im Zuge dieser Dissertation zum ersten Mal untersucht. Dazu wurde ein Prototyp eines Vakuum-kompatiblen dielektrischen Radiators in einem 200 MeV-Linearbeschleuniger für Elektronen installiert. Dieser Energiebereich bringt mit sich, dass alle präsentierten Messungen im kohärenten Spektrum der Čerenkov-Diffraktionsstrahlung durchgeführt wurden. Umfangreiche numerische Simulationen der spezifischen Radiatorgeometrie werden präsentiert und anschließend mit den Daten aus verschiedenen experimentellen Messungen verglichen. Die kohärenten Eigenschaften der Čerenkov-Diffraktionsstrahlung, ihre Polarisation, sowie ihre Abhängigkeit von der Distanz zwischen Teilchenbahn und Oberfläche des Dielektrikums, werden dargelegt. Die Grenzfrequenz des Radiators, sowie verzögerte Strahlungsanteile aufgrund von Reflexionen im Radiator werden identifiziert. Der Absolutbetrag der elektrischen Feldstärke von Čerenkov-Diffraktionsstrahlung wird erstmalig bestimmt und die gleichmäßige Verteilung der Strahlung an der Außenfläche des Radiators präsentiert. Schließlich wird die Strahlung mit einer zeitlichen Auflösung im Pikosekundenbereich erfasst, und somit die kürzesten Echtzeit-Messungen von Čerenkov-Diffraktionsstrahlung durchgeführt. Überdies wird dadurch die zeitliche Unterscheidung zwischen Pulsen der Čerenkov-Diffraktionsstrahlung und diversen Komponenten der Diffraktionsstrahlung aufgezeigt.

Cherenkov diffraction radiation (ChDR) refers to the emission of electromagnetic radiation when a charged particle travels in the vicinity of dielectric matter, and the particle's velocity exceeds the phase velocity of electromagnetic radiation in the dielectric. Unlike the better-known Cherenkov radiation, ChDR can be utilized as a non-invasive technique, as the charged particle beam does not directly traverse the material. This feature makes ChDR an appealing emission mechanism for beam diagnostics applications in circular accelerators, particularly those with intense beams and whenever preserving the beam's emittance is crucial. ChDR exhibits several more features, which are advantageous for beam diagnostic purposes, including a broadband emission spectrum, the ability to achieve a large emission angle relative to the beam trajectory, and a relatively high light yield which is proportional to the length of the dielectric exposed to the beam field. Additionally, the small form factor of ChDR radiators facilitates their implementation and reduces the overall complexity of the final instrument. Measuring the longitudinal beam profiles with ChDR could represent a simpler, viable alternative to synchrotron radiation, whose extraction and utilisation in large-scale facilities, like the Future Circular Collider for electrons and positrons (FCC-ee), would imply many challenges, such as long extraction lines as well as high critical photon energies. This thesis exploits ChDR to address a specific diagnostics problem in the context of FCC-ee, explicitly focusing on the bunch-by-bunch measurement of the beam's longitudinal profile with sub-picosecond resolution. Depending on the FCC-ee operation mode, the design bunch duration varies between 6 and 52 ps (1 σ). Several key characteristics of ChDR are investigated for the first time within the framework of this thesis. A prototype of a vacuum-compatible dielectric radiator was installed at a 200 MeV linear electron accelerator. Due to this energy range, all presented measurements were conducted within the coherent spectrum of ChDR. Numerical simulations of the specific radiator design are shown and benchmarked against experimental data from multiple campaigns. The coherent nature of ChDR, its polarisation and its dependency on the distance between the particle trajectory and radiator surface are demonstrated. The low-frequency cutoff of the dielectric radiator, as well as trailing fields due to reflections within the radiator, are identified. The absolute value of the electric field strength of ChDR is measured for the first time, and its uniform distribution on the radiator's exit surface is presented. Finally, real-time measurements with a resolution in the picosecond range demonstrate the shortest real-time measurement of the ChDR pulse and indicate the temporal discrimination between the ChDR pulse and various diffraction radiation components.