Spindynamik in Elektronensynchrotronen

Abstract

Um unser Verständnis des Aufbaus der Materie voranzutreiben sind Experimente mit hochenergetischen Teilchen erforderlich, bei denen alle Eingangsparameter bekannt sind und variiert werden können. Zu diesen gehört auch die Spinausrichtung der Teilchen. Die Bereitstellung spinpolarisierter Teilchenstrahlen mit Kreisbeschleunigern erfordert die Berücksichtigung depolarisierender Resonanzen, die bei bestimmten Strahlenergien die Polarisation vollständig zunichtemachen können. Die Spindynamik unter dem Einfluss solcher Resonanzen wird aufgrund der Komplexität eines Beschleunigers und der Vielzahl an Teilchen vor allem numerisch behandelt.<br /> Auf kurzen Zeitskalen bis zu Sekunden, wie bei Energierampen in einem Synchrotron, werden dazu Spintracking-Verfahren eingesetzt. Für Elektronenstrahlen spielt dabei auch die Synchrotronstrahlung eine entscheidende Rolle. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Spintracking-Programm <em>Polematrix</em> für Elektronensynchrotrone entwickelt, welches ein ideales Werkzeug zur Untersuchung der Einflüsse der Synchrotronlichtabstrahlung auf die Spindynamik ist. Es ermöglicht insbesondere Studien mit verschiedenen Modellen der longitudinalen Strahldynamik. So wurden erstmals Spintracking-Simulationen auf Basis eines realistischen Teilchentrackings des etablierten Programms <em>Elegant</em> durchgeführt. Die numerischen Studien zeigen die Effekte, die zur Depolarisation eines Elektronenstrahls führen: Durch die verglichen mit Protonenstrahlen um Größenordnungen höhere Synchrotronfrequenz treten die Synchrotronseitenbänder depolarisierender Resonanzen als separate Resonanzen auf. Außerdem verschwindet Polarisation senkrecht zur stabilen Spinachse durch die Dekohärenz der einzelnen Spinpräzessionen, wobei die Geschwindigkeit der Depolarisation über die Optik des Beschleunigers verändert werden kann. <em>Polematrix</em> ist für beliebige Elektronenbeschleuniger nutzbar und leicht zugänglich, weil es die weitverbreiteten Lattice-Dateien von <em>MAD-X</em> und <em>Elegant</em> als Eingangsdateien nutzt, und wurde als Open-Source-Programm veröffentlicht.<br /> Die Beschleunigeranlage ELSA am Physikalischen Institut der Universität Bonn ist derzeit das weltweit einzige Elektronensynchrotron mit polarisiertem Strahl. Es werden verschiedene dedizierte Maßnahmen zur Kompensation depolarisierender Resonanzen eingesetzt, deren Optimierung entscheidend für das Erreichen eines hohen Polarisationsgrades ist. Unter dem Einfluss stetiger Weiterentwicklungen desBeschleunigers konnte im Rahmen dieser Arbeit der höchste bisher bei ELSA gemessene Polarisationsgrad erreicht werden. Außerdem wurde ein verbessertes Korrekturschema zur Kompensation von Imperfektionsresonanzen in Betrieb genommen und dessen Funktionalität mit Messungen und Spintracking-Simulationen nachgewiesen. Darüber hinaus wurden bei ELSA einzigartige Polarisationsmessungen durchgeführt, die die spezifische Spindynamik von Elektronenstrahlen zeigen und deren korrekte Modellierung durch das Spintracking-Programm <em>Polematrix</em> bestätigen.

<strong>Spin Dynamics in Electron Synchrotrons</strong><br /> Providing spin polarized particle beams with circular accelerators requires the consideration of depolarizing resonances which may significantly reduce the desired degree of polarization at specific beam energies. The corresponding spin dynamical effects are typically analyzed with numerical methods. In case of electron beams the influence of the emission of synchrotron radiation has to be taken into account.<br /> On short timescales, as in synchrotrons with a fast energy ramp or in damping rings, spin dynamics are investigated with spin tracking algorithms. This thesis presents the spin tracking code <em>Polematrix</em> as a versatile tool to study the impact of synchrotron radiation on spin dynamics. Spin tracking simulations have been performed based on the well established particle tracking code <em>Elegant</em>. The numerical studies demonstrate effects which are responsible for beam depolarization: Synchrotron side bands of depolarizing resonances and decoherence of spin precession. <em>Polematrix</em> can be utilized for any electron accelerator with minimal effort as it imports lattice files from the tracking programs <em>MAD-X </em>or<em> Elegan</em>t. <em>Polematrix</em> has been published as open source software.<br /> Currently, the Electron Stretcher Accelerator ELSA at Bonn University is the only electron synchrotron worldwide providing a polarized beam. Integer and intrinsic depolarizing resonances are compensated with dedicated countermeasures during the fast energy ramp. Polarization measurements from ELSA demonstrate the particular spin dynamics of electrons and confirm the results of the spin tracking code <em>Polematrix</em>.