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Development of Beam Halo Monitors for the European XFEL using radiation hard sensors and demonstration of the technology at FLASH

Entwicklung von Beam Halo Monitoren mit strahlungsharten Sensoren für den Europäischen XFEL und Demonstration der Technologie bei FLASH

  • The European X-Ray Free-Electron Laser (E-XFEL), currently under construction in Hamburg, Germany, is intended to be an international linear accelerator (linac) based user facility. Its electron beam can carry maximal average power of 600 kW. A beam with such a high power needs to be carefully transmitted through the machine and safely dumped after utilization. This is supported by various diagnostics tools. A Beam Halo Monitor (BHM) based on synthetic diamond and sapphire sensors has been designed. Diamond sensors are developed by the company element6 for the detection of ionizing radiation and used previously elsewhere. Sapphire sensors are in this thesis applied for the first time. The BHM concept has been applied already at the Free-electron Laser in Hamburg (FLASH). A module with four diamond and four sapphire sensors was designed, installed inside the beam pipe, commissioned, calibrated and has been successfully operated for 4 years. The system contributed significantly to safe and efficient operation of FLASH. Both types ofThe European X-Ray Free-Electron Laser (E-XFEL), currently under construction in Hamburg, Germany, is intended to be an international linear accelerator (linac) based user facility. Its electron beam can carry maximal average power of 600 kW. A beam with such a high power needs to be carefully transmitted through the machine and safely dumped after utilization. This is supported by various diagnostics tools. A Beam Halo Monitor (BHM) based on synthetic diamond and sapphire sensors has been designed. Diamond sensors are developed by the company element6 for the detection of ionizing radiation and used previously elsewhere. Sapphire sensors are in this thesis applied for the first time. The BHM concept has been applied already at the Free-electron Laser in Hamburg (FLASH). A module with four diamond and four sapphire sensors was designed, installed inside the beam pipe, commissioned, calibrated and has been successfully operated for 4 years. The system contributed significantly to safe and efficient operation of FLASH. Both types of the sensors for the BHM were characterized. Measurements of radiation tolerance are done in a 10 MeV electron beam for polycrystalline CVD (pCVD) diamond sensors for the first time up to a dose of 10 MGy and for sapphire sensors up to 5 MGy. The charge collection efficiency (CCE) drops as a function of the absorbed dose, is however still sufficient for application as a BHM. To improve a main sensor characteristic, the charge collection efficiency, for sapphire sensors the impurity concentration was reduced and different growth techniques were compared. Finally, charge collection efficiency of about 5 % for a bias voltage of 500 V was reached. The BHM concept for the XFEL is designed and in the construction phase.show moreshow less
  • Der European X-Ray Free-Electron Laser (E-XFEL), dessen Aufbau zur Zeit in Hamburg stattfindet, soll als international organisierte LINAC basierte Strahlungsquelle für Nutzer betrieben werden. Die mittlere Leistung im Elektronenstrahl wird 600 kW betragen. Ein Strahl mit so hoher Leistung muss sicher durch den Beschleuniger gesteuert, und nach seiner Nutzung sicher am vorgesehenen Ort vernichtet werden. Die Führung des Strahls wird von verschiedenen Diagnoseinstrumenten unterstützt. Hierzu zählt ein Beam Halo Monitor, der Sensoren aus hochreinem Diamant- und Saphirkristallen nutzt. Diamantsensoren wurden speziell für den Nachweis ionisierender Strahlung von der Firma Element6 entwickelt und wurden bereits an anderen Beschleunigen verwendet. Saphiresenoren werden in dieser Arbeit zum ersten Mal von verschiedenen Herstellern getestet und verwendet. Das Konzept eines solchen Beam Halo Monitors wurde im Rahmen dieser Arbeit bereits beim Free-Electron Laser in Hamburg (FLASH) entwickelt und angewandt. Hier wurde ein Modul mit jeweils 4Der European X-Ray Free-Electron Laser (E-XFEL), dessen Aufbau zur Zeit in Hamburg stattfindet, soll als international organisierte LINAC basierte Strahlungsquelle für Nutzer betrieben werden. Die mittlere Leistung im Elektronenstrahl wird 600 kW betragen. Ein Strahl mit so hoher Leistung muss sicher durch den Beschleuniger gesteuert, und nach seiner Nutzung sicher am vorgesehenen Ort vernichtet werden. Die Führung des Strahls wird von verschiedenen Diagnoseinstrumenten unterstützt. Hierzu zählt ein Beam Halo Monitor, der Sensoren aus hochreinem Diamant- und Saphirkristallen nutzt. Diamantsensoren wurden speziell für den Nachweis ionisierender Strahlung von der Firma Element6 entwickelt und wurden bereits an anderen Beschleunigen verwendet. Saphiresenoren werden in dieser Arbeit zum ersten Mal von verschiedenen Herstellern getestet und verwendet. Das Konzept eines solchen Beam Halo Monitors wurde im Rahmen dieser Arbeit bereits beim Free-Electron Laser in Hamburg (FLASH) entwickelt und angewandt. Hier wurde ein Modul mit jeweils 4 Diamant- und 4 Saphirsensoren installiert, in Betrieb genommen und getestet. Seit nunmehr 4 Jahren ist es ohne Ausfall in Betrieb und hat in dieser Zeit signifikant zur Erhöhung der Effizienz von FLASH beigetragen. Vor dem Einbau bei FLASH wurden beide Sensortypen charakterisiert. Polykristaline CVD (pCVD) Diamantsensoren wurden in einem 10 MeV Elektronenstrahl mit bis zu 10 MGy und Saphirsensoren bis zu 5 MGy Dosis getestet. Die sogenannte Charge Collection Efficiency (CCE) fällt dabei in Abhängigkeit von der applizierten Dosis ab, bleibt aber immer noch ausreichend hoch, so dass die Sensoren für einen BHM verwendet werden können. Ferner wurde der Einfluss der Reinheit von Saphirsensoren auf die Charge Collection Efficiency untersucht. Die Konzentration Verunreinigungen wurde bei Auswahl der Sensoren verringert, und verschiedene Herstellungsverfahren wurden betrachtet. Im Resultat konnten Sensoren mit einer Charge Collection Efficiency von 5% bei einer Spannung von 500 V hergestellt werden. Das Konzept für den XFEL ist entwickelt und bereits in der Phase der Realisierung.show moreshow less

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Metadaten
Author: Alexandr Ignatenko
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-34757
Referee / Advisor:Prof. Dr. Wolfgang Lohmann, Prof. Dr. Andreas Jankowiak, Prof. Dr. Jürgen Reif
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Date of final exam:2014/11/07
Release Date:2015/05/08
Tag:Beam Halo Monitor; Diamant; Entwicklung; Saphir; Sensor
Beam Halo Monitor; Development; Diamond; Sapphire; Sensor
GND Keyword:Saphir; Diamant; Sensor
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / HP Physik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / HP Physik
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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