Mögliche Themen für Masterarbeiten

Der/die Materstudent/in wird in das internationale Beschleunigerteam integriert und soll, basierend auf vorhandenen Komponenten im Beschleuniger, Verfahren zur Berechnung/Messung der Parameter des Elektronenstrahls und/oder des Photonenstrahls entwerfen, die Messungen durchführen und sie analysieren. Er/sie wird dabei von Experten angeleitet und unterstützt und kann eine breite Ausbildung in Beschleunigertechnologie erwerben.

Vorkenntnisse in der Beschleunigerphysik sind wünschenswert aber nicht zwingend. Erwartet werden Einsatz, Teamfähigkeit und Englischkenntnisse.

Die folgenden Themen sind Beispiele für mögliche Arbeiten. Selbstverständlich ist es auch immer möglich, eigene Themen und Akzente zu setzen. Für Fragen diesbezüglich wenden Sie sich bitte an Herrn Prof. Hillert.

Beschleunigerphysikalische Arbeiten am Institut für Experimentalphysik der UHH und DESY/Hamburg

EEHG Seeding von Freie-Elektronen-Lasern

Zur Erzeugung von longitudinal kohärenten Röntgenpulsen im EUV wird die Technik des seedings angewendet. Hierbei wird der FEL-Prozess durch eine externe elektromagnetische Welle gestartet. Zur Erreichung sehr kurzer Wellenlängen (bis hinunter zu Wellenlängen von ein paar nm) soll bei sFLASH das Verfahren des sogennanten Echo Enabled Harmonic Generation (EEHG) implementiert und optimiert werden. Hierfür werden dem Elektronenstrahl zwei intensive Laserstrahlen überlagert, die in 2 kleinen Undulatoren (den sogenannten Modulatoren) zunächst eine Energiemodulation des Elektronenstrahls erzeugen. Diese wird in jeweils nachfolgenden magnetischen Schikanen in eine Dichtemodulation mit hohem Harmonischengehalt überführt. Hierzu wird ein Teil des existierenden Aufbaus neu konzipiert und im Jahr 2019 eingebaut. Parallel dazu erfolgen erste Messungen mit der existierenden Hardware zur ersten Demonstration und Charakterisierung des Verfahrens an FLASH.

Im Zuge der Studien und konzeptionellen Arbeiten sind Masterarbeiten zu vergeben.

Kontakt: Wolfgang Hillert (wolfgang.hillert@desy.de)

Material characterization of nitrogen doped niobium at cryogenic temperatures for superconducting accelerators

Short Description
The goal within the superconducting accelerator R&D program at DESY and the University of Hamburg is to gain a fundamental understanding of the properties of niobium, used to fabricate accelerating cavities, and their influence on the performance of the produced cavities. A recently discovered treatment called ‘nitrogen doping’ improves the performance of niobium cavities drastically. A sample driven approach will be pursued in this thesis. You will learn and apply surface analysis techniques (SIMS, EBSD, SEM/EDX) and set up a device to measure the thermal properties of the treated niobium samples. The obtained data will be analyzed to find a possible correlation with the observed performance increase and to test existing hypothesis in the SRF community.

Availability: Immediate start possible

What you learn
Superconducting radio-frequency concepts, BCS theory, cryogenics, Labview, chemical treatment & heat treatment of samples, vacuum systems, surface analysis techniques like SIMS, EBSD, SEM

Contact:
Wolfgang Hillert (wolfgang.hillert@desy.de)
Supervisor: Marc Wenskat (marc.wenskat@desy.de)

Verbesserung der Strahleigenschaften und Betriebszeit von Photoinjektoren

Aktuelle RF-Photoinjektoren liefern Elektronenstrahlen mit besten Eigenschaften für
Linearbeschleuniger. Dies ist notwendig, denn die Eigenschaften der erzeugten Elektronenstrahlen
bleiben während der Weiterbeschleunigung erhalten. Darum sind beste Strahleigenschaften bei der
Erzeugung notwendig. Trotz der bisherigen Fortschritte können die Eigenschaften durch
fokussierende Felder direkt an der Kathode des Injektors mittels Verbesserung der
Resonatorgeometrie weiterhin verbessert werden. Desweiteren können die Feldamplituden an der
Kathode verringert werden, so dass der Wärmeeintrag in diesem Bereich minimiert wird; dies
verlängert die Gesamtbetriebszeit solch eines Injektors. Für die Optimierung der Geometrie müssen
Feld- mit anschließenden Strahlsimulationen durchgeführt werden.

Was man lernt:
       • Umgang mit dem aktuellen Programm CST zur Berechnung elektro-magnetischer Felder
       • Berechnungen und Eigenschaften von elektro-magnetischer Feldern
       • Eigenschaften von Kavitäten
       • Funktionsweise und Optimierung von Photinjektoren
       • Emittanzen, Bunchlaenge und Energiebreite bei Photoinjektoren

Kontakt: Dirk Lipka, dirk.lipka@desy.de

Active timing drift compensation system for FLASHForward

Project description
FLASHForward is a new facility allowing experimental demonstration of novel electron injection techniques in plasma wakefield accelerators. One of these relies on an ultrashort, 30 fs laser pulse selectively ionising some electrons inside the wakefield driven by an electron beam with a duration of tens of femtoseconds. Thus, femtosecond-level synchronisation between the laser and electron beam is required. A synchronisation system between the short-pulse laser oscillator and electron beam source has already been implemented. However, temperature, humidity and other environmental factors will affect the more than 60 m long laser beam transport line and thus the arrival time of the pulses at the plasma interaction. This project will involve the design and implementation of an active timing drift compensation system, allowing the laser pulses to be kept accurately timed to the electron beam.

Contact
Kris Pōder, DESY (FLA), kristjan.poder@desy.de
Jens Osterhoff, DESY (FLA), jens.osterhoff@desy.de

Study of the impact of coherent-synchrotron radiation effects on a multi-stage PWFA collider

Project description
Beam-driven plasma-wakefield acceleration (PWFA) is a novel concept for particle acceleration. The accelerating fields in this scheme exceed those in conventional radio-frequency cavities by 2 to 3 orders of magnitude and, therefore, might enable next-generation colliders for particle physics and other high-energy accelerators in a much smaller footprint.
Reaching high energies in the TeV range in such a plasma-based collider is likely to require staging - employment of a sequence of plasma modules, each providing a fixed energy gain in the GeV range. This requires injection and extraction of the electron beam into every plasma module, which implies electron beams moving on curved trajectories inside the corresponding dipole magnets.
It is known that coherent-synchrotron radiation affects high current electron beams traveling on such curved trajectories, namely it increases the transverse emittance, perturbs the longitudinal phase space, and, most importantly, generates beam asymmetries (centroid offsets) leading to the so-called hosing instability in a plasma, which in turn prevents quality-preserving acceleration.
A theoretical study is required to evaluate the magnitude of this effect, assess the feasibility of a staged PWFA collider and to optimize the injection/extraction sections.

What you will learn
Fundamentals of conventional and plasma-based accelerator physics, practical accelerator design, numerical simulations for accelerators, etc.

Contact
Vladyslav Libov, Uni HH and DESY (FLA), vladyslav.libov@desy.de
Jens Osterhoff, DESY (FLA), jens.osterhoff@desy.de

Nonlinear Optics: A new route to create and manipulate ultrashort flashes of light

Project description:
Ultrashort laser pulses are nowadays used for many applications within physics, chemistry and material processing. Their production, however, still imposes a major challenge, especially when high laser pulse energies and pulse durations in the few-cycle regime are required.
Within a collaborative effort between DESY and the University of Hamburg (involved PIs: Dr. Christoph Heyl (DESY/HI Jena), Dr. Tino Lang (DESY), Prof. Markus Drescher (University of Hamburg) and Dr. Cord Arnold (Lund University, Sweden), we are planning to exploit a new method for shortening and manipulating laser pulses with the possibility to reach durations as short as a few cycles of the laser field. A successful implementation of the envisioned method may open up new parameter regimes for short-pulse laser physics. The project has high potential for scientific output already during the Master thesis.

Requirements
We seek 1-2 Master students who are:
- Eager to work on a challenging project within modern optics in close collaboration with researchers at DESY/UHH/Lund University
- Have a Bachelor thesis / course work background in optics/lasers
- Are interested in experimental work with state-of-the-art high-power laser technology and/or modern numerical simulation tools
The project has enough flexibility for an experimental and/or theoretical focus depending on personal preferences. The positions will be filled as soon as possible

Contact
Dr. Christoph Heyl: christoph.heyl@desy.de, Prof. Markus Drescher: markus.drescher@unihamburg.de

Beschleunigerphysikalische Arbeiten am DESY in Zeuthen nahe Berlin

"Beschleuniger-Musik“ - Können wir einem Hohlraumresonator bei der Arbeit zuhören und daraus neue Erkenntnisse gewinnen?

Kurzbeschreibung
Am Photoinjektor Teststand bei DESY in Zeuthen (PITZ, im Südosten von Berlin) werden Hohlraumresonatoren entwickelt und getestet, die für Lichtquellen der 4. Generation, so genannte Freie-Elektronen-Laser wie FLASH und European XFEL, unerlässlich sind. Diese Hohlraumresonatoren werden mit hoher gepulster Hochfrequenzleistung betrieben, so dass sich eine gepulste thermische Ausdehnung ergibt, die mit entsprechend starker Wasserkühlung im Mittel weggekühlt wird.
Die gepulste Verformung des Hohlraumresonators lässt sich aber mit Akustik-Sensoren hören und erzeugt ein Klangbild, welches von der Intensität und der Länge der Hochfrequenzpulse abhängt. Zusätzlich können Störungen im Betrieb wie z.B. Hochfrequenzüberschläge verschiedenster Art weitere Frequenzen und Signale in das Klangbild einstreuen.

Aufgaben
Im Rahmen der Master-Arbeit soll einerseits das Standard-Klangspektrum der Hohlraumresonatoren untersucht werden und andererseits soll versucht werden, aus den Störsignalen zum Standard-Klangspektrum neue Erkenntnisse zu den Ursachen der Störungen zu gewinnen.
Die Masterarbeit ist sofort zu vergeben. Die Arbeit erfordert zumindest zweitweise einen Aufenthalt bei PITZ (im Südosten von Berlin).

Was man lernt
Funktionsweise von Hochfrequenz-Photoinjektoren, Audioanalyse (z.B. Amplituden- und Frequenzspektrum) von Akustiksensoren, physikalische Prozesse beim Konditionieren und Betrieb von Hohlraumresonatoren, Arbeit in einem internationalen Forscherteam

Kontakt: Frank Stephan (frank.stephan@desy.de), Mikhail Krasilnikov (mikhail.krasilnikov@desy.de)
Betreuer der Arbeit: Igor Isaev (igor.isaev@desy.de), Mikhail Krasilnikov (mikhail.krasilnikov@desy.de)

Beam based procedures for RF photoguns

Short description
Detailed and thorough tuning of RF-gun parameters is required to achieve high performance of high brightness photo injectors. Beam based alignment (BBA) procedures (like photocathode laser BBA, gun solenoid BBA) have to be elaborated and applied to real experimental conditions including sophisticated machine imperfections like RF power coupler kick and magnetic field asymmetries of the gun solenoid. The modeled impact of a misaligned RF-gun has to be compared to experiments at the Photo Injector Test facility at DESY in Zeuthen (southeast of Berlin).

Availability: start in autumn 2018 possible

What you learn
Beam dynamics in RF photoguns, modeling and numerical simulations, experimental skills in operation of modern photo injectors, development of advanced experimental procedures, data analysis, working in an international research team

Contact: Frank Stephan (frank.stephan@desy.de), Mikhail Krasilnikov (mikhail.krasilnikov@desy.de)
Supervisor: Mikhail Krasilnikov (mikhail.krasilnikov@desy.de)

 

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