Development of a Rogowski coil beam position monitor for electric dipole moment measurements at storage rings

Trinkel, Fabian; Aulenbacher, Kurt; Pretz, Jörg Johannes

doi:HT019571079

Development of a Rogowski coil beam position monitor for electric dipole moment measurements at storage rings = Entwicklung eines Rogowski Spulen Strahlpositionsmonitor zur Messung von elektrischen Dipolmomenten an Speicherringen

Trinkel, Fabian^RWTH*

2017 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Fabian Trinkel

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (IV, 106, xxiv Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Pretz, Jörg Johannes (Thesis advisor)^RWTH* ; Aulenbacher, Kurt (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-12-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-00258
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/712121/files/712121.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Rogowski coil (frei) ; beam position monitor (frei) ; electric dipole moment (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Eines der ungelösten Phänomene in der Physik ist die Materie-über-Antimaterie-Dominanz in unserem Universum. Die bekannten CP-verletzenden Prozesse des Standardmodells der Teilchenphysik reichen nicht aus, um diese Asymmetrie zu erklären. Daher sind zusätzliche CP-verletzende Quellen erforderlich, die über das Standardmodell hinausgehen. Eine dieser Quellen kann sich in permanenten elektrischen Dipolmomenten (EDMs) von Elementarteilchen manifestieren. Für neutrale Teilchen begannen Untersuchungen vor 60 Jahren. Bis jetzt sind alle Ergebnisse der EDM-Messungen mit einem verschwindenden EDM-Wert kompatibel. Komplementäre EDM-Messungen für geladene Teilchen wie Protonen und Deuteronen in speziellen elektrischen Speicherringen werden in verschiedenen Kollaborationen weltweit vorgeschlagen. Als ersten Schritt für einen dedizierten Speicherring werden Machbarkeitsstudien durch die JEDI (Jülich Electric Dipole Moment Investigations) Kollaboration am magnetischen Speicherring COSY (COoler SYnchotron) am Forschungszentrum Jülich durchgeführt. Eine erste direkte Deuteron-EDM-Messung ist in den Jahren 2017 bis 2019 geplant. Um einen vertikalen Polarisationsaufbau proportional zum EDM zu erzeugen, wird ein Radiofrequenz-Wien-Filter verwendet. Dieser Polarisationsaufbau kann jedoch auch durch Wechselwirkungen des magnetischen Dipolmoments mit Magnetfeldern für einen nicht zentrierten Strahl im Beschleuniger verursacht werden. Daher muss die Bahn des Teilchenstrahls in allen Beschleunigerelementen zentriert sein. Ein wichtiges Gerät für diese Umlaufbahnerkennung ist ein Strahlpositionsmonitor mit hoher Genauigkeit und hoher Auflösung. Das bestehende Strahlpositionsmonitor-System von COSY hat eine Auflösung von 1 μm (für 4096 Datenpunkte) bei einem Strahlstrom von 〖10〗^9 Partikeln und einer Genauigkeit von 0,1 mm. Dieser Genauigkeitswert ist die Hauptquelle für systematische Unsicherheiten und begrenzt diese Deuteron-EDM-Messung auf 5⋅〖10〗^(-20) e cm. Aufgrund dieser hohen Anforderungen an die Strahlpositionsmessung wurde mit der Entwicklung eines ultrapräzisen SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) basierenden Rogowski Spulen Strahlpositionsmonitor begonnen. In einem ersten Schritt sind normalleitende Rogowski Spulen untersucht worden mit der Option, die Empfindlichkeit durch Kühlung des Systems und Anwendung von SQUIDs zu erhöhen. Die theoretische und experimentelle Basis für einen normalleitenden Rogowski Spulen Strahlpositionsmonitor wird in dieser Arbeit untersucht. Ein Modell für die induzierte Spannung eines Segments für verschiedene Rogowski Spulenkonfigurationen wurde entwickelt. Es wurde auch ein modellbasierter Kalibrierungsalgorithmus entwickelt, der einen Versatz zwischen dem elektrischen und geometrischen Zentrum, eine Rotation der Spule selbst und unterschiedliche Segmentgewichte berücksichtigt. Ein Vergleich zwischen dem berechneten Modell und einer numerischen Simulation eines bidirektionalen Rogowski Spule Strahlpositionsmonitor wurde durchgeführt. Der Kalibrierungsalgorithmus wird an einer numerischen Simulation für einen bidirektionalen Rogowski Spulen Strahlpositionsmonitor getestet, welche rotiert und versetzt ist und unterschiedliche Segmentgewichte aufweist. Mit diesem modellbasierten Kalibrierungsalgorithmus wurde eine Genauigkeit von 15 μm für die Positionsrekonstruktion bei der Simulation erreicht. Ein dedizierter Teststand wurde konstruiert und eine Gittermessungskalibrierung für einen bidirektionalen Rogowski Spulen Strahlpositionsmonitor wurde in Bezug auf einen beliebigen Referenzpunkt durchgeführt. Als Ausleseelektronik für die induzierten Spannungen wurden Lock-In-Verstärker verwendet. Eine Auflösung von 1,25 μm für eine Einzelmessung wurde erreicht, welche die theoretische Grenze des Messaufbaus bestehend aus Rogowski Spulen Strahlpositionsmonitor und Lock-in-Verstärker bei Raumtemperatur ist. Die Genauigkeit für die modellbasierte Positionsrekonstruktion beträgt 150 μm. Strahlpositionsmessungen mit einem unkalibrierten unidirektionalen Rogowski Spulen Strahlpositionsmonitor und zwei unkalibrierten bidirektionalen Rogowski Spulen Strahlpositionsmonitoren wurden in COSY durchgeführt und die Daten analysiert. Die Auflösung für beide Experimente beträgt etwa 4,4 μm für eine einzelne Positionsmessung. Eine strahlbasierte Kalibrierung wurde mit einem bidirektionalen Rogowski Spulen Strahlpositionsmonitor durchgeführt und eine Genauigkeit von 150 μm wurde in Bezug auf einen beliebigen Referenzpunkt erreicht. In beiden Experimenten wurden Orbit-Bump-Messungen durchgeführt, um die Reaktion der Rogowski Spulen Strahlpositionsmonitore zu messen.

One of the unsolved phenomena in physics is the matter-over-antimatter dominance in our universe. The known CP violating processes of the Standard Model of particle physics are not sufficient to explain this asymmetry. Therefore, additional CP violating sources beyond the Standard Model are required. One of these sources can be manifest themselves in permanent electric dipole moments (EDMs) of elementary particles. For neutral particles investigations for EDMs started already 60 years ago. Up to now all results of the EDM measurements are compatible with a vanishing EDM value. Complementary EDM measurements for charged particles like protons and deuterons in dedicated electrical storage rings are suggested of different collaborations worldwide. As a first step towards dedicated storage ring, feasibility studies are performed by the JEDI (Jülich Electric Dipole moment Investigations) collaboration at the magnetic storage ring COSY (COoler SYnchotron) at Forschungszentrum Jülich in Germany. A first direct deuteron EDM measurement is planned in the years 2017 to 2019. To create a vertical polarization build-up proportional to the EDM, a radio frequency Wien filter is used. However, this polarization build-up can also be caused by interactions of the magnetic dipole moment with magnetic fields for a not centred beam in the accelerator. Therefore, the orbit of the particle beam has to be centred in all accelerator elements. An important device for this orbit detection is a beam position monitor (BPM) with high accuracy and high resolution.The existing BPM system at COSY has a resolution of 1 μm (for 4096 data points) by a beam current of 〖10〗^9 particles and an accuracy of 0.1 mm. This accuracy value is the main source for systematic uncertainties and limits this deuteron EDM measurement to 5⋅〖10〗^(-20) e cm. Due to these demanding requirements for the beam position detection a development started towards an ultra precise SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) based Rogowski coil BPM. As a first step we investigated normal conducting Rogowski coils with the option to increase sensitivity by cooling the system and applying SQUIDs. The theoretical and experimental basis for a normal conducting Rogowski coil BPM is investigated in this thesis. A model for the induced voltage of a segment for different Rogowski coil configurations has been developed. Also a model-based calibration algorithm has been developed, which takes into account an offset between the electrical and geometrical centre, a rotation of the coil itself and different segment weights. A comparison between the calculated model and a numerical simulation of a bidirectional Rogowski coil has been performed. The calibration algorithm is also tested on a numerical simulation of bidirectional Rogowski coil, which is rotated, offset and has different segment weights. With this model-based calibration algorithm an accuracy of 15 μm has been achieved. A dedicated testbench has been constructed and a grid measurement calibration of a bidirectional Rogowski coil BPM has been performed with respect to an arbitrary reference point. As readout electronics for the induced voltages lock-in amplifiers were used. The resolution of 1.25 μm for a single measurement setup is the theoretical limit of the measurement setup of the Rogowski coil BPM and lock-in amplifier for room temperature. The accuracy for the model-based position reconstruction is 150 μm.Beam position measurements in COSY with an uncalibrated unidirectional and two uncalibrated bidirectional Rogowski coil BPMs were performed and the data were analysed. The resolution for both experiments is about 4.4 μm for a single position measurement. A beam-based calibration has been performed with one bidirectional Rogowski coil BPM and an accuracy of 150 μm is achieved with respect to an arbitrary reference point. In both experiments orbit bump measurements were performed to measure the response of the Rogowski coil BPMs.

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