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Damping of Coherent Oscillations in Intense Ion Beams

Karpov, Ivan :
Damping of Coherent Oscillations in Intense Ion Beams.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Damping of Coherent Oscillations in Intense Ion Beams
Language: English
Abstract:

Transverse decoherence of a displaced ion bunch is an important phenomenon in synchrotrons and storage rings. An offset can be caused by an injection error after the bunch-to-bucket transfer between synchrotrons or by an externally generated kick. Decoherence results in a transverse emittance blowup, which can cause particle losses and a beam quality degradation. To prevent the beam blowup, a transverse feedback system (TFS) can be used. The damping time should be shorter than the characteristic decoherence time, which can be strongly affected by the interplay of different intensity effects (e.g., space charge and impedances).

This thesis describes the development of the analytical models that explain decoherence and emittance growth with chromaticity, space charge, and image charges within the first synchrotron period. The pulsed response function including intensity effects was derived from the model for beam transfer functions. For a coasting beam, the two- dimensional model shows that space charge slows down and above intensity threshold suppresses decoherence. These predictions were confirmed by particle tracking simulations with self-consistent space charge fields. Additionally, halo buildup and losses during decoherence were observed in simulations. These effects were successfully interpreted using a non self-consistent particle-core model.

The two-dimensional model was extended to the bunched beams. The simulation results reproduce the analytical predictions. The intensity threshold of decoherence suppression is higher in comparison to a coasting beam, image charges can restore decoherence.

In the present work dedicated experiments were performed in the SIS18 synchrotron at GSI Darmstadt and the results were compared with simulations and analytical predictions. The contribution of nonlinearities and image charges is negligible while chromaticity and space charge dominate decoherence.

To study the damping efficiency of TFS, a comprehensive TFS module was developed for simulations. The system bandwidth should cover the characteristic spectrum including intensity effects. Delay errors, which can cause a beam instability, and the level of noise, which results in an emittance blowup, were determined.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Dekohärenz eines transversal versetzten Ionenpakets ist ein wichtiger strahldynamischer Vorgang in Synchrotronen und Speicherringen. Ein Versatz kann durch einen Injektionsfehler nach der Paket-zu-Paket Übergabe zwischen Synchrotronen oder durch einen extern erzeugten Kraftstoß entstehen. Dekohärenz führt zur transversalen Emittanzvergrößerung, die Strahlverluste und eine Verminderung der Strahlqualität verursachen kann. Um die Aufweitung des Strahls zu verhindern, kann ein transversales Rückwirkungssystem oder ”Transverse Feedback System” (TFS) verwendet werden. Die TFS-Dämpfungszeit sollte kürzer sein als die charakteristische Dekohärenzzeit, die stark durch das Zusammenspiel unterschiedlicher Intensitätseffekte (z. B. Raumladung und Impedanzen) beeinflusst wird. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung analytischer Modelle, welche Dekohärenz und Emittanzvergrößerung unter Berücksichtigung von Chromatizität, Raumladung und Spiegelladungen innerhalb der ersten Synchrotronschwingungsperiode wiedergeben. Eine Pulsantwortfunktion unter Berücksichtigung von Intensitätseffekten wird aus einem Modell für die Strahlübertragungsfunktion abgleitet. Im Falle eines Gleichstromtrahls zeigt das zweidimensionale analytische Modell, dass die Raumladung die Dekohärenz verlangsamt und oberhalb einer Schwellintensität vollständig unterdrückt. Die Vorhersagen der analytischen Modelle wurden durch Simulationen der Teichlendynamik mit den selbstkonsistenten Raumladungsfeldern bestätigt. Zusätzlich wurde die Entstehung eines Halos und die Strahlverluste während der Dekohärenz in den Simulationen beobachtet. Unter Verwendung eines nicht-selbstkonsistenten Teilchen-Kern-Modells wurden diese Effekte erfolgreich interpretiert. Das zweidimensionale analytische Modell wurde auf den Fall der Teilchenpakete erweitert. Die Simulationsergebnisse reproduzieren die analytischen Vorhersagen. Die Schwellintensitäten der Dekohärenzabschwächung sind höher im Vergleich zum Gleichstromtrahl, die Spiegelladungen können aber die Dekohärenz wiederherstellen. Im Rahmen der Arbeit wurden dedizierte Experimente am SIS18-Synchrotron an der GSI Darmstadt durchgeführt, die Ergebnisse wurden mit Simulationen und analytischen Vorhersagen verglichen. Der Beitrag von Nichtlinearitäten und Spiegelladungen ist vernachlässigbar, während die Chromatizität und die Raumladung die Dekohärenz bestimmen. Zur Untersuchung der Dämpfungseffizienz eines Rückwirkungssystem wurde ein umfangreiches TFS-Modul für die numerischen Simulationen entwickelt. Die TFS-Bandbreite sollte das charakteristische Spektrum des Strahles umfassen, wobei die Intensitätseffekte berücksichtigt werden müssen. Schwellwerte der Verzögerungsfehler, die eine Instabilität des Strahls verursachen können, und der Rauschenpegel, der zur Emittanzvergrößerung führt, wurden bestimmt.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics > Accelerator Physics
Date Deposited: 13 Feb 2017 11:02
Last Modified: 13 Feb 2017 11:02
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-59835
Referees: Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver and Khan, Prof. Dr. Shaukat
Refereed: 6 February 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5983
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