Development of an electro-optical longitudinal bunch profile monitor for the future electron-positron collider FCC-ee

Der FCC-ee ist ein geplanter Teilchenbeschleuniger mit Umfang für Kollision von Elektronen und Positronen bei höchster Luminosität für präzise Teilchenphysik-Experimente zur elektroschwachen Wechselwirkung, den Eigenschaften des Higgs-Bosons, der Top-Quark-Masse und weiteren Themen. Um diese Ziele zu erreichen, wird FCC-ee in vier Operationsmodi betrieben. Die Kollisionsbedingungen müssen in jeden Operationsmodus präzise bestimmt werden, um Experimente mit höchster Präzision zu ermöglichen. Daraus resultieren hohe Anforderungen an die Strahldiagnostik. Insbesondere wird ein Monitor zur Bestimmung des longitudinalen Profils jedes Teilchenpakets benötigt, um die Auswirkungen der Beamstrahlung auf die Kollisionen zu beurteilen. ... mehr
Diese Arbeit untersucht die Machbarkeit eines elektro-optischen (EO) Monitors zur Messung des longitudinalen Teilchenpaketprofils und präsentiert ein Konzept, um mit der der Breite an verschiedenen Teilchenpaketdauern in der Größenordnung von Picosekunden, sowie den hohen Teilchenpaketladungen in der Größenordnung von 30 nC umzugehen. Ein Simulationsprozess wurde basierend auf Experimenten mit dem EO-Monitor am Forschungsbeschleuniger KARA entwickelt, was als Design-Basis und zur Beurteilung der Probleme eines EO Monitors mit den Strahlparametern von FCC-ee diente. Um die resultierenden Schwierigkeiten mit den langen Teilchenpaketen und hohen Bunchladungen zu beheben, wurde ein neues Prismen-basiertes Design entwickelt und simuliert. Dessen Funktionalität wurde mit einem ersten Prototypen am linearen Elektronenbeschleuniger CLEAR am CERN demonstriert.

The Future Circular Lepton Collider (FCC-ee) is a planned electro-positron collider with 91 km circumference to provide highest luminosity for precision particle physics experiments of electroweak interactions, Higgs-boson properties, Top-quark mass and more. To achieve the desired physics programme, FCC-ee foresees four different operation modes with different beam parameters. The collision conditions in every mode must be precisely determined to enable experiments at highest precision, which requires pushing the limits of high-precision particle beam diagnostics. In particular, a bunch profile monitor is required to provide high resolution bunch length measurements of every bunch to assess the impact of beamstrahlung on the collision conditions. ... mehr
This thesis investigates the feasibility of an in-vacuum electro-optical (EO) longitudinal bunch profile monitor and provides a concept to cope particularly with FCC-ee’s wide range of bunch durations in the order of picoseconds and high bunch charges in the order of 30 nC. A simulation procedure was set up based on experiments at the EO monitor of the Karlsruhe Research Accelerator (KARA) to serve as a baseline and to identify design issues under FCC-ee’s demanding beam conditions. To resolve the identified problems with long bunches and high charges, a novel prism-based design has been developed and simulated. Its functionality has been successfully demonstrated with a first prototype at the CERN Linear Electron Accelerator for Research (CLEAR).