The bilinear-exponential closed-orbit model and its application to storage ring beam diagnostics

摘要

Im periodischen Fokussiersystem eines Speicherrings wird der Teilchenstrahl auf einen geschlossenen Orbit, d.h. eine sich wiederholende Teilchenbahn durch den Beschleuniger, abgebildet. Störungen dieses geschlossenen Orbits werden durch fehlerhafte Beschleunigerelemente erzeugt und durch spezielle Magnetstrukturen (Korrektoren) kompensiert. Die zur Kompensation erforderliche Diagnose über Strahlpositionsmonitore (BPMs) sowie die ebenfalls notwendige Charakterisierung der Korrektoren über Messung der sog. Responsematrix wird routinemäßig an vielen Speicherringen weltweit durchgeführt. Weiterhin ist die Bewegung der Einzelteilchen um den geschlossenen Orbit (Strahloptik) aus Stabilitätsgründen interessant, konnte jedoch bisher nur mittels zusätzlicher Spezialhardware beobachtet oder näherungsweise durch Simulation mithilfe eines vollständigen magnetischen Modells des Beschleunigers abgeschätzt werden.Es ist bekannt, dass in Responsematrizen ebenfalls aufschlussreiche Informationen über die Einzelteilchenbewegung um die Sollbahn (Strahloptik), wenn auch in verschlüsselter Form, enthalten sind. Da Responsematrizen routinemäßig an vielen Speicherringen aufgenommen werden und keine zusätzliche Hardware erfordern, ist ihre "Entschlüsselung" von besonderem Interesse.In der vorliegenden Arbeit wird ein Algorithmus mit dem Namen COBEA (Closed-Orbit Bilinear-Exponential Analysis) entwickelt, mit dessen Hilfe Responsematrizen in strahloptische Informationen zerlegt werden können. Grundlage dafür ist eine reduzierte und zugleich verallgemeinerte Darstellung der Störungen des geschlossenen Orbits (Bilinear-Exponentielles Modell) in Abhängigkeit von Strahlparametern an Monitor- und Korrektorpositionen. Abschliessend wird COBEA an drei Speicherringen (DELTA, MLS, BESSY II) mit existierenden Methoden, welche alle entweder zusätzliche Hardware oder zusätzliche Annahmen erfordern, verglichen und erfolgreich validiert. COBEA kann somit an vielen Speicherringen weltweit eingesetzt werden.