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Abstract

The High-Energy Storage Ring (HESR) is a part of an upcoming International Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) at GSI in Darmstadt [1]. A key part of a scientific program, along with antiproton physics, will be physics with highly-charged heavy ions. Phase-space cooled beams together with fixed internal target will provide an excellent environment for storage ring experiments at the HESR for the SPARC collaboration [2–4]. Until recently, however, the existing ion optical lattice for the HESR was designed only for the experiments with antiproton beams. The thesis presents a new ion optical mode developed specifically for the operation of the HESR with highly charged heavy ions. The presence of the errors, such as beam momentum spread, magnetic field impurities or magnets misalignments, leads to disruption of beam dynamics: exciting of resonant motion and loss of beam stability. Within the paper, these effects are investigated with the help of numerical codes for particle accelerator design and simulation MAD-X and MIRKO. A number of correction techniques are applied to minimize the nonlinear impact on the beam dynamics and improve the experimental conditions. The application of the analytical and numerical tools is demonstrated in the experiment with uranium U90+ beam at the existing storage ring ESR, GSI.

Translation of abstract (German)

Der Hochenergie-Speicherring (HESR) ist ein Teil der internationalen Beschleunigeranlage zur Forschung mit Antiprotonen und Ionen (FAIR) [1], die in Darmstadt entsteht. Die Physik mit hochgeladenen schweren Ionen wird neben der Antiprotonenphysik ein wesentlicher Teil des wissenschaftlichen Programms am HESR sein. Die Anwendung von Strahlkühlung, mit welcher die höchsten Phasenraumdichten der Strahlen erreicht werden, sowie von dünnen internen Targets ermöglicht ausgezeichnete Bedingungen für die Atomphysik an Speicherringen im Rahmen der internationalen SPARC Kollaboration [2–4]. Die existierende HESR Magnetanordnung wurde bis jetzt nur für die geplanten Experimente mit Antiprotonenstrahlen optimiert. Diese Doktorarbeit stellt neue ionenoptische Korrekturen vor, die den Betrieb des HESR mit hochgeladenen schweren Ionen ermöglicht. Die vorhandenen Ungenauigkeiten, wie Impulsbreite des Strahls, Magnetfeldfehler und Magnetfehlstellungen, führen zu Störungen der Strahldynamik: Anregung von Resonanzen und Einschränkung der Strahlstabilität. Diese Effekte werden in dieser Arbeit unter Benutzung von speziellen Simulationsprogrammen für Teilchenbeschleuniger, wie MAD-X und MIRKO, untersucht. Durch einige Korrekturrechnungen wurden nichtlineare Effekte minimiert und die Experimentbedingungen optimiert. Die Eignung der verwendeten analytischen und numerischen Werkzeuge wurde in einem dedizierten Experiment am bestehenden Speicherring ESR der GSI in Darmstadt mit einem Strahl aus heliumähnlichen Uranionen U90+ überprüft.