Henke, HeinoGerigk, Frank2015-11-202007-01-052007-01-052007-01-05urn:nbn:de:kobv:83-opus-14664https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1799http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1502Das Ziel dieser Arbeit ist, die relevantesten Mechanismen der Haloentwicklung für Teilchenstrahlen in Hochintensitätslinearbeschleunigern zu behandeln. In der Einleitung werden die vielfältigen Anwendungen dieser Linearbeschleuniger (kurz: Linac) vorgestellt. Es wird weiterhin erklärt warum im Falle der CERN Studie zur Konstruktion eines supraleitenden Protonenlinacs (SPL) ein Linac gewählt wurde um einen hochintensiven Protonenstrahl zu liefern, anstatt eines anderen Beschleunigertyps. Anschließend werden die grundlegenden Gleichungen abgeleitet, welche zum Verständnis der Haloentwicklung benötigt werden. Diese Gleichungen werden dann benutzt um den Einfluss von anfänglicher und statistisch verteilter Strahlfehlanpassung auf hochintensive Teilchenstrahlen zu untersuchen. Grundlegende Konzepte wie: das Teilchen-Kern Modell (particle-core model), Enveloppenmoden, parametrische Resonanzen, der "freie Energie" Ansatz und die Idee der Kern-Kern Resonanzen werden eingeführt und erweitert um Teilchenstrahlen in realistischen Fokussierungskanälen zu studieren. Eine Grundidee dieser Arbeit ist, das Strahlverhalten nicht nur in vereinfachten theoretischen Fokussierungsstrukturen zu beschreiben, sondern die Strahldynamik in realistischen Beschleunigern zu untersuchen. Alle Effekte welche mit vereinfachten analytischen Modellen abgeleiten werden, werden so mit beobachtbaren Effekten in Linearbeschleunigern in Zusammenhang gebracht. Dieser Ansatz bringt es mit sich, dass leistungsfähige Simulationsprogramme benutzt werden um die Trajektorien der äußersten Randteilchen einer Verteilung zu verfolgen, welche aus bis zu 100 Millionen Makropartikeln besteht. Gegen Ende der Arbeit wird eine Reihe von Regeln aufgestellt und es wird aufgezeigt, welchen Einfluss diese Regeln auf das Design eines typischen Linacs für hochintensive Teilchenstrahlen (den CERN SPL) hat. Die Beispiele in dieser Arbeit beziehen sich auf zwei Entwicklungsstadien dieses Linearbeschleunigers: den ersten konzeptionellen Designreport (SPL I) und den zweiten revidierten Report (SPL II).This document aims to cover the most relevant mechanisms for the development of beam halo in high-intensity hadron linacs. The introduction will outline the various applications of high-intensity linacs and it will explain why, in the case of the CERN Superconducting Proton Linac (SPL) study a linac was chosen to provide a high-power beam, rather than a different kind of accelerator. The basic equations, needed for the understanding of halo development will be derived and employed to study the effects of initial and distributed mismatch on high-current beams. The basic concepts of the particle-core model, envelope modes, parametric resonances, the free-energy approach, and the idea of core-core resonances will be introduced and extended to study beams in realistic linac lattices. The approach taken is to study the behavior of beams not only in simplified theoretical focusing structures but to highlight the beam dynamics in realistic accelerators. All effects which are described and derived with simplified analytic models, are tested in realistic lattices and are thus related to observable effects in linear accelerators. This approach involves the use of high-performance particle tracking codes, which are needed to simulate the behavior of the outermost particles in distributions of up to 100 million macro particles. In the end a set of design rules will be established and their impact on the design of a typical high-intensity machine, the CERN SPL, will be shown. The examples given in this document refer to two different design evolutions of the SPL study: the first conceptual design report (SPL I) and the second conceptual design report (SPL II).en530 PhysikHaloLinearbeschleunigerParametrische ResonanzenRaumladungBeam haloLinacParametric resonancesSpace chargeDoctoral Thesis