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Numerical calculation of beam Coupling Impedances in Synchrotron Accelerators

Hänichen, Lukas :
Numerical calculation of beam Coupling Impedances in Synchrotron Accelerators.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Numerical calculation of beam Coupling Impedances in Synchrotron Accelerators
Language: English
Abstract:

Beams of charged particles are of interest in various fields of research including particle and nuclear physics, material and medical science and many more. In synchrotron accelerators the accelerating section is passed multiple times. A closed loop trajectory is enforced, by increasing the frequency of the accelerating electric field and the magnitude of the dipolar magnetic guide field synchronously. A synchrotron therefore consists of a circular assembly of various beamline elements which serve the purposes of accelerating and guiding of the particle beam. For the flawless operation of such a machine it has to be assured that the particles perform a controlled motion along predefined trajectories. Amongst others, the fulfillment of the corresponding stability criteria is in close conjuction with the so-called beam coupling impedances which are an important figure of merit for collective effects in synchrotron accelerators. This work focuses on analytical and numerical methods for the calculation of beam coupling impedances. One of the primary objectives is to gain a better understanding of charged particle beam electrodynamics, the mathematical description in both time and frequency domain and establish the links between actual physics and numerical modeling. Analytical methods are usually restricted to symmetrical geometry and may solely serve for the approximate determination of the field distribution in real geometries or to validate certain numerical methods. Finally, more accurate prognosis is only possible with 3D numerical simulation models. Numerical simulation techniques have been established in the second half of the last century accompanying the evolution of many particle accelerators. Classical time domain codes were the prevailing simulation tools where the actual process of the particle motion sequence is reproduced. For the present case of a heavy ion synchrotron accelerator, particle velocities significantly lower than the speed of light occur and the commonly applied ultra-relativistic limit case may no longer be practicable. Ferrite-loaded kicker magnets are commonly used to achieve abrupt changes of the beam direction of motion and contribute to the coupling impedance due to hysteresis properties of the ferrite material. These coupling impedance contributions must be determined to assess the feedback action on the traversing particles particles of the beam. After introducing important mathematical relations and presentation of two calculation methods, a few reference examples are discussed, which can be treated bymeans of the classical electromagnetic field theory. After showing that the simulation results are in accordance with the corresponding analytical results, the focus is put on simulation models that represent actual components of the FAIR SIS100 synchrotron accelerator.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Strahlen geladener Teilchen sind in vielen Forschungsbereichen von Interesse, wie zum Beispiel der Teilchen- und Kernphysik, Materialwissenschaften, Medizin und vielen mehr. In Synchrotronbeschleunigern wird die Beschleunigungsstrecke zyklisch durchlaufen. Eine Teilchenbahn mit konstantem Radius wird erreicht, indem die Frequenz des beschleunigenden elektrischen Feldes und die Amplitude des magnetischen Feldes synchron erhöht werden. Ein Synchrotron besteht demnach aus einer ringförmigen Anordnung verschiedener Komponenten entlang des Strahlverlaufs, die der Beschleunigung und Führung des Teilchenstrahls dienen. Für die einwandfreie Funktion einer solchen Anlage muss sichergestellt werden, dass die Teilchen einer kontrollierten Bewegung entlang vordefinierter Bahnen folgen. Die Erfüllung der entsprechenden Stabilitätskriterien steht unter Anderem im Zusammenhang mit den sogenannten Strahlkoppelimpedanzen, welche eine wichtige Zielgröße für kollektive Effekte in Synchrotronbeschleunigern darstellen. Diese Arbeit befasst sich mit analytischen und numerischen Methoden zur Berechnung der Strahlkoppelimpedanzen. Eines der Ziele ist dabei, die Elektrodynamik geladener Teilchenstrahlen besser zu verstehen, ihre mathematische Beschreibung im Zeit- und Frequenzbereich zu rekapitulieren, und den Zusammenhang zwischen physikalischer Realität und numerischer Simulation herzustellen. Analytische Methoden sind in der Regel auf symmetrische Geometrien beschränkt und können daher allenfalls der Abschätzung von Feldverteilungen in real existierenden Baugruppen oder der Validierung bestimmter Simulationsmethoden dienen. Letzten Endes lassen sich genauere Prognosen nur mit Hilfe von 3D Simulationsmodellen machen. Numerische Berechnungsmethoden zur Simulation geladener Teilchenstrahlen haben sich in der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts etabliert und den Bau großer Teilchenbeschleuniger begleitet. Dabei kamen vor allem klassische Wakefield-Simulationen zum Einsatz, wobei der tatsächliche zeitliche Bewegungsablauf geladener Teilchen in der Simulation nachgebildet wird. Für den hier vorliegenden Fall eines Schwerionensynchrotrons sind auch Teilchengeschwindigkeiten von Bedeutung, die signifikant niedriger sind als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und die häufig angewandte ultrarelativistische Näherung nicht immer praktikabel ist. Ferritbasierte Kickermagnete, die zur abrupten Auslenkung des Teilchenstrahls benötigt werden, tragen durch die Hystereseigenschaft des Ferritmaterials zur Koppelimpedanz bei. Um die Rückwirkung auf den passierenden Teilchenstrahl abzuschätzen, müssen die Koppelimpedanzbeiträge berechnet werden. Nach Einführung einiger wichtiger mathematischer Beziehungen und Vorstellung zweier Berechnungsverfahren werden Referenzgeometrien betrachtet, deren Koppelimpedanzbeiträge sich mit den Methoden der klassischen Feldtheorie berechnen lassen. Nachdem gezeigt wurde, dass die analytisch und numerisch gewonnenen Ergebnisse im Einklang stehen, werden anschließend Simulationsmodelle benutzt, die sich an realen Baugruppen des FAIR SIS100 Synchrotronbeschleunigers orientieren.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
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
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics > Accelerator Physics
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics > Accelerator Technology
Date Deposited: 29 Jul 2016 12:55
Last Modified: 29 Jul 2016 12:55
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-53673
Referees: Weiland, Prof. Dr.- Thomas and Klingbeil, Prof. Dr.- Harald
Refereed: 2 December 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5367
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