Data driven optimization of slow longitudinal feedback systems for free electron lasers

Abstract

To enable a reliable SASE (self-amplified spontaneous emission) process at free-electron lasers, stable electron beam properties are needed. The slow longitudinal feedback system compensates long term drifts of the accelerating modules using toroids, beam arrival monitors and beam compression monitors. To optimize the current system, various approaches are investigated. Beginning with the evaluation of the current mathematical model and moving on towards the inversion of linear and nonlinear response matrices, a description of the system needs to be found. As measurable outcomes, the RSME and the amount of mismatching derivatives signs are considered. Furthermore, the system is checked for dynamics. Finally, a modified version of the SINDy-algorithm is introduced and all approaches are compared to each other. To access the necessary data for the optimization, a parameter scan at the particle accelerator FLASH was performed by scanning all actuators randomly and simultaneously.

Um einen zuverl¨assigen SASE (self-amplified spontaneous emission) Prozess an Freie- Elektronen-Lasern zu ermöglichen, werden stabile Eigenschaften des Elektronenstrahls benötigt. Das langsame, longitudinale Feedbacksystem kompensiert langsames Driften der Beschleunigermodule indem Toroiden, beam arrival monitors und beam compressionmonitors für die Regelung verwendet werden. Um das vorhandende System zu optimieren, werden unterschiedliche Ansätze untersucht. Beginnend mit der Bewertung des aktuellen Ansatzes und dem zugrundeliegenden mathematischen Modell, über die Invertierung linearer und nichtlinearer Antwortmatrizen wird eine Beschreibung des Systems gesucht. Als messbare Größen werden hierbei der RSME und die falsch vorhergesagten Vorzeichen der Ableitung verwendet. Weiterhin wird das System auf dynamisches Verhalten untersucht. Schließlich wird eine modifizierte Version des SINDy-Algorithmus eingeführt und die verschiedenen Ansätze miteinander verglichen. Um die notwendigen Daten für die Optimierung zu erheben, wurde ein Parameterscan am Teilchenbeschleuniger FLASH durchgeführt. Hierbei wurden zeitgleich alle Aktuatoren zufällig verändert.