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Tune Measurement at GSI SIS-18: Methods and Applications

Singh, Rahul :
Tune Measurement at GSI SIS-18: Methods and Applications.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Tune Measurement at GSI SIS-18: Methods and Applications
Language: English
Abstract:

Two parallel tune measurement systems are installed at GSI SIS-18 based on different principles. The first is called the Tune, Orbit and POSition measurement system TOPOS. Its working principle involves direct digitization of BPM signals at 125 MSa/s, which is used for online bunch-by-bunch position calculation in FPGAs. In the course of this work, position calculation algorithms were developed and studied for real time implementation in the TOPOS FPGAs. The regression fit algorithm is found to be more efficient and robust in comparison to previously used weighted mean algorithm with the baseline restoration procedure. The second system is the Baseband Tune measurement system referred to as BBQ system. The operational principle of this system was conceived at the CERN Beam Instrumentation group and is based on direct diode detection. In the framework of this work, this system was optimized and brought into operation at GSI SIS-18. Front-end data from both systems are used to calculate the tune spectrum every 250−5000 beam revolutions or turns within SIS-18 based on the resolution requirement and the mode of operation. Advanced non-parametric spectrum estimation method like amplitude Capon estimator is compared to the conventional DFT based methods in terms of resolving power and computational requirements for the calculated spectrum. Further the TOPOS and BBQ systems are compared and characterized in terms of sensitivity, reliability and operational usage. The results from both systems are found to be consistent with each other and have their favoured regimes of operation. The effects on tune spectra obtained from both systems were studied with different types of excitations with excitation power levels up to 6 mW/Hz. These systems in association with other beam diagnostic devices at SIS-18 were used to conduct extensive experiments to understand the effect of high intensity beams on the tune spectrum. These careful measurements recorded all the relevant beam parameters,thus leaving out no “free parameters”. Several important results were established in course of these experiments. Coherent tune shifts in dependence of intensity gave direct measurements of transverse machine impedances. The high resolution tune spectrum allowed identification of higher order head-tail modes. The relative spectral positions of these head-tail modes when compared with the analytical theory based on the “square well airbag model” gave a direct measurement of the incoherent tune spread in bunched beams. The measurements agreed well with the perturbative treatment applied in the theory only for space charge parameter in the range qsc < 4 after which significant deviations from the theoretical predictions occur. These deviations were understood by using self-consistent simulations and are attributed to the unaccounted role of the pipe impedances in Landau damping of head-tail modes. A novel chromaticity measurement method is demonstrated using temporal separation of each head-tail mode using chirp excitation. Other applications of the parallel tune measurement systems such as linear betatron coupling measurements or tune measurements during acceleration ramps are demonstrated. This work forms a basis for understanding beam dynamics at GSI SIS-18 for high beam currents.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Am Synchrotron SIS18 der GSI werden zurzeit zwei Messysteme zur Tune Bestimmung betrieben, denen unterschiedliche Prinzipien zu Grunde liegen. Eines der Messysteme hat den Namen “Tune, Orbit und POSition TOPOS”. Es basiert auf der direkten Digitalisierung der BPM Signale mit einem 125 MSa/s ADC und der Berechnung der Position eines Bunches mit Hilfe eines FPGAs. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Algorithmen zur Positionsbestimmung entwickelt und für die FPGA Implementierung bei TOPOS vorbereitet. Es zeigt sich, dass die Regressions-Anpassungen numerisch effizienter und robuster sind, als die bisher benutzten Algorithmen mit gewichtetem Mittelwert und Basislinien-Rekonstruktion. Das zweite Messsystem hat den Namen “BaseBand Tune (Q)” und wird im Weiteren als BBQ System bezeichnet. Die auf “Direkter Dioden Detektion” basierende Hardware wurde von der Beam-Instrumentation-Gruppe am CERN entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das BBQ System für die Erfordernisse der GSI modifiziert und in Betrieb genommen. Aus den Roh-daten bei- der Systeme wurden Tune-Spektren für typisch 250 bis 5000 Strahlumläufe im SIS18 berechnet. Zur Berechnung der Tune-Spektren wurden nicht-parametrische Methoden wie der “Amplituden-Capton-Schätzer” benutzt und mit den üblichen DFT-basierten Methoden hinsichtlich ihrer jeweiligen Auflösung und den numerischen Anforderungen verglichen. Weiterhin wurden die beiden Systeme TOPOS und BBQ hinsichtlich ihrer Nachweisempfindlichkeit, Zuverlässigkeit und der praktischen Benutzbarkeit verglichen. Es zeigte sich, dass beide Systeme jeweils einen vorteilhaften Anwendungsbereich haben. Es konnte gezeigt werden, dass die Beschleuniger-physikalischen Ergeb- nisse zur Tune Messung beider Systemen gleich sind. Die gewonnenen Tune-Spektren wurden für verschiedene Anregungsmethoden und Anregungsleistungen bis 6 mW/Hz untersucht. Beide Messsysteme TOPOS und BBQ wurden bei detaillierten Untersuchungen am SIS18 benutzt, um den Einfluss hoher Strahlintensitäten auf die Tune-Spektren detailliert zu untersuchen. Bei diesen Messungen wurden alle relevanten Strahlparameter gemessen, so dass keine freien, an die Theorie anzupassenden Parameter auftreten. Wichtige Resultate wurden durch diese Experimente verifiziert: Die kohärente Tune-Verschiebung in Abhängigkeit von der Strahlintensität stellt eine direkte Messung der Maschinenimpedanz dar. Durch die gute Auflösung der Spektren konnten“Head-Tail Moden” klar identifiziert werden. Die Schwerpunkte dieser Moden im Frequenzspektrum wurden mit einer analytischen, auf einem “airbag-Model” basierenden Theorie verglichen und liefern damit eine Messung der inkohärenten Tune-Verschiebung. Eine gute Übereinstimmung zwischen dem störungstheoretischen Ansatz des Modells und der Messung konnte für kleine Raumladungsparameter qsc < 4 demonstriert werden. Für höhere Raumladungsparameter treten aber wie erwartet signifikante Abweichungen auf. Derartige Abweichungen wurden durch numerische Simulationen bestätigt und konnten auf den Einfluss von Srahlimpedanzen und die dadurch bedingte Landau-Dämpfung der “Head-Tail-Moden” zurückgeführt werden. Eine Methode zur genauen Messung der Chromatizität wird im Rahmen dieser Arbeit beschrieben, sie basiert auf der selektiven Anregung und zeitaufgelösten Messung der “Head-Tail-Schwingungen” sowie der numerischen Anpassung der Chromatizitäts-abhängigen Phasenentwicklung an die Daten. Weitere Anwendungen der beiden Messsysteme wie etwa die Bestimmung der Betatron-Kopplungsstärke sowie die Tune-Variation während der Ionenbeschleunigung wurden demonstriert. Die vorliegende Doktorarbeit stellt eine Basis zum Verständnis der transversalen Strahldynamik bei hohen Strahlintensitäten am SIS18 dar. German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics
Date Deposited: 06 Jun 2014 08:32
Last Modified: 25 Jul 2016 11:41
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-39765
Referees: Weiland, Prof. Dr. Thomas and Klingbeil, Prof. Dr. Harald
Refereed: 5 March 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3976
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