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A Contribution to the Computation of the Impedance in Acceleration Resonators

Liu, Cong :
A Contribution to the Computation of the Impedance in Acceleration Resonators.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: A Contribution to the Computation of the Impedance in Acceleration Resonators
Language: English
Abstract:

This thesis is focusing on the numerical computation of the impedance in acceleration resonators and corresponding components. For this purpose, a dedicated solver based on the Finite Element Method (FEM) has been developed to compute the broadband impedance in accelerating components. In addition, various numerical approaches have been used to calculate the narrow-band impedance in superconducting radio frequency (RF) cavities. From that an overview of the calculated results as well as the comparisons between the applied numerical approaches is provided. During the design phase of superconducting RF accelerating cavities and components, a challenging and difficult task is the determination of the impedance inside the accelerators with the help of proper computer simulations. Impedance describes the electromagnetic interaction between the particle beam and the accelerators. It can affect the stability of the particle beam. For a superconducting RF accelerating cavity with waveguides (beam pipes and couplers), the narrow-band impedance, which is also called shunt impedance, corresponds to the eigenmodes of the cavity. It depends on the eigenfrequencies and its electromagnetic field distribution of the eigenmodes inside the cavity. On the other hand, the broadband impedance describes the interaction of the particle beam in the waveguides with its environment at arbitrary frequency and beam velocity. With the narrow-band and broadband impedance the detailed knowledges of the impedance for the accelerators can be given completely. In order to calculate the broadband longitudinal space charge impedance for acceleration components, a three-dimensional (3D) solver based on the FEM in frequency domain has been developed. To calculate the narrow-band impedance for superconducting RF cavities, we used various numerical approaches. Firstly, the eigenmode solver based on Finite Integration Technique (FIT) and a parallel real-valued FEM (CEM3Dr) eigenmode solver based on symmetric curvilinear tetrahedrons are applied to the Superconducting Proton Linac (SPL) cavity. Afterwards, a parallel complex-valued FEM (CEM3Dc) eigenmode solver based on curvilinear tetrahedrons is applied to the TESLA 1.3 GHz and the third harmonic 3.9 GHz superconducting cavities.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der numerischen Berechnung der Impedanzen von Beschleunigern (supraleitende Kavitäten) sowie Beschleunigerkomponenten. Zu diesem Zweck wurde zunächst ein geeigneter Löser auf Grundlage der Finiten Elemente Methode (FEM) entwickelt, um die breitbandigen Impedanzen von Beschleunigerkomponenten zu berechnen. Zusätzlich wurden unterschiedliche numerische Ansätze zur Berechnung der schmalbandigen Impedanzen für supraleitende Hochfrequenzkavitäten (HF-Kavitäten) verfolgt. Davon wurde ein Überblick zu berechneten Ergebnissen gegeben und ein Vergleich zwischen den unterschiedlichen Ansätzen durchgeführt. Während der Konstruktion der supraleitenden HF-Kavitäten und Beschleunigerkomponenten ist eine herausfordernde und schwierige Aufgabe die Bestimmung der Impedanzen für die Beschleunigungsstrukturen mit Hilfe geeigneter Computersimulationen. Die Impedanz beschreibt die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem Teilchenstrahl und den Beschleunigungsstrukturen. Sie kann die Intensität der Teilchenstrahlen beeinträchtigen. Für eine supraleitende HF-Kavität mit Wellenleiter (Strahlrohre und Koppler) entspricht die schmalbandige Impedanz den Eigenmoden der Kavität. Die schmalbandige Impedanz, die auch Shuntimpedanz genannt wird, ist abhängig von der Eigenfrequenz und Verteilung der elektromagnetischen Felder der Eigenmoden. Andererseits kann die breitbandige Impedanz als Maß für den Grad der Wechselwirkung des Wellenleiters mit dem Teilchenstrahl bei einer beliebigen Frequenz und Geschwindigkeit des Strahls herangezogen werden. Von der breitbandigen- und schmalbandigen Impedanz können detaillierte Kenntnisse der Impedanz für die Beschleunigungsstrukturen bekannt gegeben werden. Zur Berechnung der breitbandigen longitudinalen Raumladungsimpedanz wurde ein Löser zur Berechnung dreidimensionaler elektromagnetischer Felder auf Grundlage der FEM im Frequenzbereich entwickelt. Zur Berechnung der schmalbandigen Impedanz für supraleitende HF-Kavitäten verfolgen wir unterschiedliche Ansätze. Zunächst wurde eine Eigenmodenanalyse basierend auf Finite Integration Technique (FIT) und ein paralleler, reellwertiger FEM Eigenwertlöser basierend auf symmetrischen, gekrümmten Tetraeder-Elementen für eine supraleitende Proton Linac (SPL) Kavität eingesetzt. Danach wurde ein paralleler, komplexwertiger FEM Eigenwertlöser basierend auf gekrümmten Tetraeder-Elementen für die TESLA 1,3 GHz Beschleunigungskavität und die dritte harmonische supraleitende 3,9 GHz Beschleunigungskavität angewandt.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 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: 23 May 2016 06:02
Last Modified: 23 May 2016 06:02
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-54510
Referees: Weiland, Prof. Thomas and Klingbeil, Prof. Harald
Refereed: 25 April 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5451
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