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Determination of Beam Coupling Impedance in the Frequency Domain

Niedermayer, Uwe :
Determination of Beam Coupling Impedance in the Frequency Domain.
[Online-Edition]
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Determination of Beam Coupling Impedance in the Frequency Domain
Language: English
Abstract:

The concept of beam coupling impedance describes the electromagnetic interaction of uniformly moving charged particles with their surrounding structures in the Frequency Domain (FD). In synchrotron accelerators, beam coupling impedances can lead to beam induced component heating and coherent beam instabilities. Thus, in order to ensure the stable operation of a synchrotron, its impedances have to be quantified and their effects have to be controlled. Nowadays, beam coupling impedances are mostly obtained by Fourier transform of wake potentials, which are the results of Time Domain (TD) simulations. However, at low frequencies, low beam velocity, or for dispersive materials, TD simulations become unhandy. In this area, analytical calculations of beam coupling impedance in the FD, combined with geometry approximations, are still widely used. This thesis describes the development of two electromagnetic field solvers to obtain the beam coupling impedance directly in the FD, where the beam velocity is only a parameter and dispersive materials can be included easily. One solver is based on the Finite Integration Technique (FIT) on a staircase mesh. It is implemented both in 2D and 3D. However, the staircase mesh is inefficient on curved structures, which is particularly problematic for the modeling of a dipole source, that is required for the computation of the transverse beam coupling impedance. This issue is overcome by the second solver developed in this thesis, which is based on the Finite Element Method (FEM) on an unstructured triangular mesh. It is implemented in 2D and includes an optional Surface Impedance Boundary Condition (SIBC). Thus, it is well suited for the computation of longitudinal and transverse impedances of long beam pipe structures of arbitrary cross-section. Besides arbitrary frequency and beam velocity, also dispersive materials can be chosen, which is crucial for the computation of the impedance of ferrite kicker magnets. Numerical impedance simulations always contain simplifications, therefore they have to be confirmed by dedicated measurements. However, the beam coupling impedance of a single accelerator component cannot be measured directly. Therefore, a dedicated RF-laboratory was established at GSI, in order to measure broadband beam coupling impedances on the bench by means of the wire method, i.e. without beam. A detailed analysis of measurement methods is given by comparison of analytical, numerical, and measurement results for simplified accelerator devices. One conclusion is, that also the bench measurements have to be validated by dedicated electromagnetic simulations. The thesis closes with selected impedance induced effects on the beam revolving in the synchrotron and relevant impedance results for the future SIS-100 synchrotron for the FAIR project at GSI.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Strahlkoppelimpedanzen beschreiben die elektromagnetische Wechselwirkung gleichförmig bewegter geladener Teilchen mit ihrer Umgebung im Frequenzbereich. Sie führen bei hohen Teilchenstrahlintensitäten zu einem Wärmeeintrag in verlustbehafteten Beschleunigerkomponenten sowie zu kohärenten Strahlinstabilitäten. Deshalb muss bereits im Design eines Synchrotrons die Impedanz quantifiziert und möglichst minimiert werden. Gegenwärtig werden Strahlkoppelimpedanzen meist aus der Fourier-Transformation des Kielwellenpotenzials (engl. wake potential) bestimmt, welches das Resultat einer Zeitbereichssimulation ist. Bei niedrigen Frequenzen, niedrigen Strahlgeschwindigkeiten, oder dispersivem Material kann dieses sonst sehr effektive Verfahren jedoch unpraktisch werden. In diesen Bereichen werden heutzutage häufig analytische Berechnungen im Frequenzbereich zusammen mit Geometrieapproximationen angewandt. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung zweier Simulationswerkzeuge, die die Strahlkoppelimpedanz direkt im Frequenzbereich berechnen. Das erste Werkzeug basiert auf der Finiten Integrations Technik (FIT) auf einem strukturierten Quadergitter und wurde sowohl zweidimensional, als auch dreidimensional implementiert. Das (nicht-konforme) Quadergitter eignet sich jedoch nur schlecht zur Approximation gekrümmter Strukturen. Dies ist insbesondere ein Problem in der Modellierung des Dipolmoments als Quellterm für zur Berechnung der transversalen Strahlkoppelimpedanz. Das zweite Simulationswerkzeug, welches auf der Finiten Elemente Methode (FEM) und einem unstrukturierten Dreiecksgitter basiert, überwindet dieses Problem. Das Dipolmoment ist hier als Kreisring eingeprägt, dessen Felder im inneren analytisch bekannt sind. Dieses Werkzeug ist zweidimensional implementiert und enthält eine optionale Oberflächenimpedanz-Randbedingung. Es stellt somit eine praktische Möglichkeit zur Bestimmung der Koppelimpedanz langer Strahlrohre dar. Neben beliebiger Frequenz und Strahlgeschwindigkeit können auch dispersive Materialien gewählt werden, was für die Impedanzberechnung von Ferrit-Kickermagneten entscheidend ist. Numerische Simulationen von Strahlkoppelimpedanzen enthalten immer Vereinfachungen, deren Rechtfertigung an einer Messung überprüft werden muss. Die Koppelimpedanz einer einzelnen Beschleunigerkomponente kann jedoch nicht direkt gemessen werden. Deshalb wurde im Verlauf dieser Arbeit ein neues Hochfrequenztechnik-Labor bei der GSI eingerichtet, um breitbandige Strahlkoppelimpedanzen mit der Drahtmethode indirekt zu messen. Diese Arbeit enthält eine detaillierte Analyse verschiedener Messmethoden in Form eines Vergleiches analytischer Rechnungen, Simulationen und Labormessungen vereinfachter Beschleunigerkomponenten. Eine entscheidende Schlussfolgerung ist hier, dass auch die Labormessung mit einer elektromagnetischen Simulation validiert werden muss. Die Arbeit schließt mit ausgewählten Effekten der Koppelimpedanz auf den umlaufenden Teilchenstrahl sowie mit ausgewählten Impedanzresultaten für das geplante SIS- 100 Synchrotron im Rahmen des FAIR projekts bei der GSI.German
Place of Publication: Darmstadt
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Beam Coupling Impedance, Frequency Domain, Finite Integration Technique, Finite Element Method, Wire Bench MeasurementsEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics > Accelerator Physics
Date Deposited: 19 Jan 2016 07:38
Last Modified: 19 Jan 2016 07:38
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5157
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-51573
Referees: Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver and Weilland, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 24 September 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5157
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