Beschleunigerphysik Jobs Diplomarbeiten / Masterarbeiten  · 

Mögliche Themen für Diplomarbeiten bzw. Masterarbeiten

Der/die Diplomand/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. Rossbach.
      

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Entwicklung eines Orbit-Feedforward Tools für die sFLASH Beam Line an FLASH


Hintergrund

Der Freie-Elektronen Laser FLASH auf dem DESY-Gelände in Bahrenfeld ist ein Single-Pass High-Gain SASE FEL im weichen Röntgenbereich von 4 nm - 40 nm. 2012 gelang es am DESY erstmals weltweit, einen mit dem Elektronenstrahl zum Überlapp gebrachten Laserpuls von 38 nm in dafür zusätzlich in die Strahlführung eingebaute Undulatoren zu verstärken. Um den Strahlbetrieb des FLASH nicht zu stören können diese Undulatoren geöffnet werden, so dass die Strecke auf den Elektronenstrahl wie eine Driftstrecke wirkt.
Für die Zukunft ist geplant, dieses Experiment ohne Beeinträchtigung der Nutzer der Synchrotronstrahlung durchzuführen. Dabei muss gewährleistet sein, dass Strahl- und Maschinenparameter im FLASH Undulator sich nicht ändern. Durch das Schließen der sFLASH-Undulatoren wirkt eine zusätzliche, so genannte "Undulator"-Fokussierung auf den Elektronenstrahl.
Es geht darum, die Optik zu korrigieren. Ein möglicher Ansatz ist die Transfermatrix vom Bereich der sFLASH-Undulatoren bis vor den FLASH-Undulatoren zu bestimmen und mittels der acht verbauten Quadrupole die ursprüngliche Transfermatrix wiederherzustellen.

Aufgaben

   - Erstellen eines Modells für den Maschinenabschnitt (aus dem FLASH-Masterfile) für den Simulationscode "ELEGANT"
   - Erstellen eines Runfiles für ELEGANT, in welchem:
         - Die ungestörte Optik berechnet wird
         - Dann die gestörte Optik berechnet wird
         - Die Störung der Optik mittels der Quadrupolströme optimiert wird
         - Und schließlich die korrigierte Optik berechnet und mit der ungestörten vergleicht wird.
   - Automatisierung der Simulation mittels MatLab (z.B. als GUI)
   - Simulation der Korrektur für verschiedenste Maschinenzustände
   - Simulation des Schließens der Undulatoren und Berechnung einer stetigen Korrektur
   - Programmierung eines Interfaces zum DOOCS (FLASH) - Kontrollsystem
   - Automatisierung der Simulation auf aktuelle (und gespeicherte) Maschinenbetriebszustände
   - Weitergehende systematische Studien
   - Ausweitung der Korrektur auf die gesamte Maschine
   - Messungen an FLASH*
   - Automatische Anwendung der Korrektur auf Magnete in FLASH*

Was man lernt
  - Umgang mit dem aktuellen Beschleunigersimulationstool ELEGANT
  - Automatisierung von Simulationen mit MatLab
  - Elektronenstrahloptik
  - Messungen an einer echten Maschine*

Was wir bieten

  - Ein interessantes Thema
  - Ein internationales Team
  - Eine nette Arbeitsatmosphäre
  - Kaffee und Kuchen zum Doktoranden/Diplomandenseminar
  - Einblick in das Operating eines Beschleunigers

Kontakt: Sven Ackermann, sven.ackermann@desy.de
      

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Parallelbetrieb von FLASH I und FLASH II mit kurzen und langen Injektorlaserpulsen

       · Strahldynamik Simulationen

Was man lernt:
       · Umgang mit dem Programm ASTRA
       · Funktionsweise und Optimierung eines LINACs inkl. Photinjektor
       · Emittanzen, Bunchlaenge und Energiebreite bei Photoinjektoren

Kontakt: Dr. Juliane Rönsch-Schulenburg, juliane.roensch@desy.de
      

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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
      

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20 K kalte Gun

Die kalte Gun hat das Ziel, den Duty-Cycle der RF Gun zu erhöhen, ohne direkt eine supra-leitende Gun
zu entwickeln. Hier können experimentell verschieden Materialen getestet und vermessen werden und
mit theoretischen Annahmen verglichen werden.

Was man lernt:

       • Eigenschaften und Bestimmung von elektro-magnetischer Feldern
       • Eigenschaften von Kavitäten (Normal- und Supraleitung, Duty-Cycle)
       • Funktionsweise und Optimierung von Photinjektoren und Photokathoden
       • Aufbau eines Experiments, Vermessung der Eigenschaften unterschiedlicher Materialen

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

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Strahlenergiebreite und ihre Korrektur in Plasmabeschleunigern

Die meisten Plasmabeschleuniger weisen verglichen zu konventionellen Beschleuniger eine sehr große
Energiebreite auf. Diese soll untersucht und optimiert werden.

Was man lernt:
       • Umgang mit dem aktuellen Beschleunigersimulationsprogrammen
       • Eigenschaften von Plasmabeschleunigern
       • Untersuchungen am longitudinalen Phasenraum

Kontakt:: R. Assmann, ralph.assmann@desy.de
      

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Elektronenstrahlqualität in LINAC2 und mögliche Anwendungen für eine neue SINBAD Testanlage

Zur Bestimmung der Strahlqualität müssen wichtigste Strahlparameter, wie z.B. der Emittanz,
Energiebreite und Bunchlänge für verschiedene Bedingungen bestimmt werden und der gesamte
Phasenraum muss analysiert werden um seine Nutzbarkeit für eine neue Testanlage zu untersuchen.

Was man lernt:
       • Wichtige Strahleigenschaften eines LINACs
       • Vermessung von Bunchen
       • Messungen an einer echten Maschine
       • Umgang mit dem aktuellen Beschleunigersimulationstool ASTRA

Kontakt: R. Assmann, ralph.assmann@desy.de
      

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Entwicklung eines Master-Laser-Oszillators, sowie Aufbau und Test eines optischen Kreuz-Korrelators für die verbesserte Synchronisation der Photokathodenlaser bei FLASH und XFEL

       • Entwickluing eines "figure-8" Lasers als Master-Laser-Oszillator (MLO) für ein optisches Synchronisationssystem
       • Aufbau und Test eines optischen Kreuz-Korrelators im UV zur verbesserten Synchronisation der Photokathodenlaser bei FLASH und XFEL

Beginn: ab sofort
Betreuer: Dr. Jost Müller: jost.mueller@desy.de

Simulation verschiedener Injektionsmechanismen bei der Plasma-Wakefield-Beschleunigung

Beginn: ab sofort
Betreuer: Dr. Jens Osterhoff, jens.osterhoff@desy.de

Weiterentwicklung eines neuartigen PIC Simulationscodes für die Plasma-Wakefield-Beschleunigung

Beginn: ab sofort
Betreuer: Dr. Timon Mehrling: timon.mehrling@desy.de

Erste Studien zur Laser-Plasma-Wakefield-Beschleunigung mit dem 20 TW System

Beginn: ab sofort
Betreuer: Dr. Jens Osterhoff: jens.osterhoff@desy.de

Optimierung des FLASH Injektorlasersystems und Betrieb mit kurzen und langen Pulsen

       • Integration des "Kurzpuls-Injektor-Lasers" zur parallen Nutzung im gleichen Pulszug bei FLASH
       • Optimierung der Optik des Injektor-Lasers zur optimalen Abbildung auf der Photokathode
       • Optimierung der Konversionseffizienz der Erzeugung der vierten Harmonischen
       • Betrieb von FLASH I und FLASH II mit kurzen und langen Injektorlaserpulsen

Was man lernt:
       • Umgang und Funktion von Lasersystemen
       • Umgang mit dem Programm ASTRA
       • Funktionsweise und Optimierung eines LINACs inkl. Photinjektor
       • Emittanzen, Bunchlaenge und Energiebreite bei Photoinjektoren

Beginn: ab sofort
Betreuer: Dr. Juliane Rönsch-Schulenburg: juliane.rönsch@desy.de

A) Messung des longitudinalen Elektronenstrahl-Profils am Freie-Elektronen-Laser FLASH sowie der Synchronisation mit anderen Lasern.

Hier gibt es im Wesentlichen zwei Verfahren:
a) Verwendung der Tatsache, dass die Synchrotronstrahlung sehr kurzer Elektronenpakete für Wellenlängen größer als die Paketlänge kohärent ist (s. Skript Beschleunigerphysik II, S. 78ff, insbes. Gln. 131, 132).
b) Messung in der Zeit-Domäne, z.B. also mit Hilfe einer sehr schnellen Ablenkung (ähnlich wie beim Oszillografen), oder durch Untersuchung des Coulombfeldes, welches das Elektronenpaket umgibt. Letzteres ist für Synchronisationszwecke besonders gut geeignet.

Mögliches Thema in diesem Bereich:
1. Experimentelle und theoretische Untersuchung der spektralen Strahlungsverteilung eines elektromagnetischen Undulators im Infrarot- und Terahertz-Bereich. Erste Messungen haben hier eine Inkonsistenz zwischen Feldmessungen und Spektren ergeben, die geklärt werden muss.
      

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B) Mitarbeit beim Experiment zum Seeding des FEL.

1. Hier soll weltweit erstmals nachgewiesen werden, dass der FEL-Prozess auch durch eine externe elektromagnetische Welle gestartet werden kann, und zwar bei Wellenlängen um 30 nm. Dadurch soll die Kohärenz verbessert und die Möglichkeit zur Synchronisation mit einem zweiten Laserpuls auf wenige fs genau geschaffen werden. Das System wurde in der 2. Jahreshälfte 2009 bei FLASH eingebaut.

Ein mögliches Thema wäre z.B.: die "Charakterisierung höherer Harmonischer von Ti:Sa-Laserpulsen für Seeding eines FEL" Ziel dieser Diplom- oder Masteraebreit ist es die bestehende Diagnostik für HHG Strahlung im Rahmen des sFLASH Projektes zu erweitern. Dies soll die Möglichkeit bieten, die transversale Strahlqualität der relevanten Harmonischen für das Seeding von FLASH zu vermessen (M2). Verschiedene Methoden (Wellenfrontmessung, Knife-Edge-Methode, ...) können dafür in Frage kommen. (Betreung: V. Miltechev, A. Azima)

Vergleich des FEL Startprozesses im SASE-Mode und im Seeding-Mode (in Zusammenarbeit mit dem sFlash Team). Entwickeln einer Nachweisprozedur für den seeding-Prozess.

Ein mögliches Thema bei Prof. Dr. Markus Drescher wäre z.B.:
HHG-Erzeugung durch Zwei-Farben Mischung (Betreung: A. Azima)


      

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C) Strahldynamik.

1. Ein "higher order symplectic integrator" für longitudinale quasi elektrostatische Kräfte im Bereich niedriger Energie

Das sogenannte ''micro bunching'' in Linearbeschleuniger--basierten Freie-Elektronen-Lasern (FELs) ist ein Effekt, bei dem sich kleine Dichtemodulationen in bestimmten Wellenlängenbereichen in einer Art Kaskade verstärken. Dieser Effekt kann unter Umständen die Leistung des betroffenen FELs deutlich einschränken.
Ein entscheidender Mechanismus für das Auftrehten von ``micro bunching'' ist die longitudinale Raumladungskraft, d.h. die Beeinflussung jedes einzelnen Teilchen in einem Teilchenpaket (bunch) durch die Lorentzkraft, die von der Ladungsverteilung der anderen Teilchen im bunch ausgeht.
Das Problem kann in guter Näherung durch die Zeitenwicklung einer 2-dimensionalen Phasenraumdichte beschrieben und auf einem diskreten Gitter approximativ gelöst werden. Dabei ist das theoretische Modell eine Liouville Gleichung, die dadurch modifiziert wird, dass die Hamiltonfunktion selbst von der Dichte abhängt (=Vlasov Gleichung).
Die Lösungsmethode nutzt, dass sich die Phasenraumdichte entlang von Teilchenbahnen nicht ändert und findet die ''neue'' Dichte zum Zeitschritt n+1 durch Rückwärtstracking der Gitterpunkte um einen Zeitschritt bei gegebener ''alter'' Dichte zum Zeitschritt n.
Im Niederenergiebereich, d.h. wenn die Teilchen noch nicht ultra-relativistisch sind, können sich Teilchen ''überholen'' d.h. die Ladungsdichte und damit das von ihr erzeugte Kraftfeld ändern sich ständig. Daher können die Zeitschritte leider nicht beliebig lang gewählt werden. Erschwerend wirkt zusätzlich, dass die Raumladungskräfte typischerweise stark nichtlinear sind. Um die Zeitschritte optimal zu verlängern (d.h. die Rechenzeit zu verkürzen) ist es notwendig, das Rückwärtstracking möglichst effizient zu gestalten, d.h. die Bewegungsgleichung mit einem Verfahren höherer Ordnung in den Fehlertermen zu lösen (=''higher order integrator''), ohne dabei die hamiltonische Struktur der Bewegungsgleichungen zu verletzen (=''symplectic integrator'').
Die Aufgabe besteht darin, einen solchen ''higher order symplectic integrator'' für dieses Modell für gegebenes (beliebiges) Kraftfeld auf dem Gitter zu entwickeln und in einen bestehenden Vlasov code zu implementieren (C++ oder F90).
Betreuer: Mathias Vogt
      

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Weitere Themen:

1. Experimentelle Mitarbeit in der Hochfrequenz-Gruppe. (WD Möller, S. Choroba). Thema muss noch identifiziert werden, aber man lernt mit Sicherheit Spitzen-Hochfrequenztechnik.

2. Mitarbeit in der Elektronik-Gruppe zum Thema Steuerung supraleitender Beschleuniger. Bei der Themenauswahl gewissen Speilraum bzgl. Interessenlage.
Betreuung: K. Rehlich

 

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