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A novel waveguide RF Wien filter for electric dipole moment measurements of deuterons and protons at the COoler SYnchrotron (COSY)/Jülich
2018
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Ausgezeichnet mit der Borchers-Plakette und dem Friedrich-Wilhelm-Preis 2019.
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-10-18
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-229484
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/748558/files/748558.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/748558/files/748558.pdf?subformat=pdfa
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Computational electromagnetics (frei) ; Electric Dipole Moment (frei) ; Electromagnetic Fields (frei) ; Electromagnetic Simulation (frei) ; Lorentz Force (frei) ; Polynomial Chaos Expansion (frei) ; RF Circuit (frei) ; Stochastic Galerkin Method (frei) ; Waveguide RF Wien Filter (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Die Materie-Antimaterie Asymmetrie im Universum lässt sich nicht durch bekannte Quellen der CP Verletzung im Standard Modell (SM) erklären. Nicht-verschwindende elektrische Dipolmomente (EDM) fundamentaler Teilchen verletzen sowohl die Zeitumkehrinvarianz (T) als auch die Parität (P), und sind daher, CPT Erhaltung vorausgesetzt, ebenfalls CP verletzend. Die Suche nach EDMs geladener Teilchen erfordert die Entwicklung eines dedizierten elektrischen Speicherrings, jedoch steht gegenwärtig ein solches Gerät noch nicht zur Verfügung. Aus diesem Grund hat die JEDI Kollaboration (Jülich Electric Dipole moment Investigations) damit begonnen, den existierenden magnetischen Speicherring COSY (COoler SYnchrotron) mit einem neuartigen RF Wien filter auszustatten. Mit diesem Gerät kann die weltweit erste direkte Messung des elektrischen Dipolmoments des Protons und des Deuterons durchgeführt werden. In Verbindung mit COSY erzeugt der RF Wien Filter ein Signal, das proportional zum EDM ist. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Design, mit Simulationen und Analyse, sowie der Realisierung und der Inbetriebnahme des RF Wien Filters. ähnlich wie im klassischen Wien Filter, stellt der RF Wien Filter ein elektromagnetisches Gerät dar, welches orthogonale Felder mit einem klar definierten Verhältnis zwischen elektrischem und magnetischem Feld erzeugt. Unter idealen Bedingungen verschwindet die Lorentzkraft, und dann erzeugt der RF Wien Filter keinen transversalen Stahlversatz. Der RF Wien Filter operiert auf einer Harmonischen der Spinpräzessionsfrequenz, und dadurch kommt es zu einer Akkumulation des EDM Signals als Funktion der Zeit. Feldinhomogenitäten führen jedoch zur falschen EDM Signalen, und deshalb wurde der RF Wien Filter auf der Basis eines Wellenleiters entwickelt. Um das Gerät zu entwickeln und zu optimieren, wurden Vollwellensimulationen der vollständigen mechanischen Struktur des RF Wien Filters durchgeführt. Die Lorentzkraft verschwindet nahezu vollständig und es wurden sehr hohe Feldhomogenitäten erreicht. Eine Analyse der mechanischen Toleranzen und Fehlstellungen wurde ebenfalls durchgeführt. Der RF Treiberkreis funktioniert gut und erfüllt die an ihn gestellten Anforderungen. Er erlaubt die Anpassung der RF Amplitude und Phase des Feldquotienten. Das Gerät wurde erfolgreich mit gespeichertem Protonenstrahl an COSY in Betrieb genommen. Durch Fehlübereinstimmung der Impendanz wurde der gespeicherte Strahl angeregt Strahl, und Amplituden der Oszillationen des Strahls zwischen 0 und 25 µm konnten nachgewiesen werden.The matter-antimatter asymmetry in the universe cannot be explained by the level of predicted CP-violation sources in the Standard Model (SM) of particles. As a possible explanation, is the existence of permanent electric dipole moment (EDM) as a fundamental property of particles. The search for EDM of charged particles requires a dedicated all-electric storage ring, an option that is not available at the moment. Therefore, the JEDI (Jülich Electric Dipole moment Investigations) collaboration has decided to equip the existing magnetic storage ring, the COoler SYnchrotron (COSY), with a novel device called the radio frequency (RF) Wien filter to conduct the first ever EDM measurement of deuterons and protons. The RF Wien filter is a device, that is able of generating an EDM signal proportional to the spin precession of particles. This thesis is concerned with the design, simulation, analysis, realization and commissioning of the RF Wien filter. Similar to the classical Wien filter, the RF Wien filter is an electromagnetic device that generates orthogonal fields with a well-defined ratio between the electric and magnetic field. These conditions lead to a vanishing Lorentz force, thus the device does/should not introduce any beam distortion. Secondly, it is a spin sensitive device; it operates at the resonant spin precession frequencies at which, the influence of the RF Wien filter on the particles' spin is maximized. Moreover, high field homogeneity is sought as inhomogeneities lead to a fake EDM signal. These requirements are found to be met by the waveguide based RF Wien filter. Full-wave simulations have been conducted to design and optimize the full-structure including the mechanical parts. Nearly vanishing Lorentz force with high field homogeneities have been achieved. Analysis of mechanical tolerances and misalignments have been included in the calculations. The RF driving circuit worked well and fulfilled its requirements in terms of adapting the magnitude and phase of the field quotient. The device has been successfully commissioned with proton beam measurements. With excited impedance mismatch, it was possible to drive beam oscillations from 0 up to 25 µm.
OpenAccess: 
PDF 
PDF (PDFA)
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT019854494
Interne Identnummern
RWTH-2018-229484
Datensatz-ID: 748558
Beteiligte Länder
Germany
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