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Characterization of impedance and wakefields of accelerator devices in the short bunch limit and beam dynamics effects for the CLIC Damping Rings

Passarelli, Andrea :
Characterization of impedance and wakefields of accelerator devices in the short bunch limit and beam dynamics effects for the CLIC Damping Rings.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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Characterization of impedance and wakefields of accelerator devices in the short bunch limit and beam dynamics effects for the CLIC Damping Rings - Text
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Characterization of impedance and wakefields of accelerator devices in the short bunch limit and beam dynamics effects for the CLIC Damping Rings
Language: English
Abstract:

The Damping Rings (DRs) complex of the Compact LInear Collider (CLIC) has to provide ultra low emittances to the linear accelerating sections in order to reach a luminosity of 2X10^34 cm2 s-1 at the centre of mass energy 3 TeV. Due to the high intensity, short bunches and low transverse emittances, collective effects are expected to seriously affect the performance of the DRs, limiting the electron and positron beam intensity at extraction, or causing an intolerable degradation of the beam quality. The design of the machine has to be optimized already at a very early stage in order to ensure that all the instability thresholds stay above the operational target intensities with sufficient safety margin. To this end, the impedance model of the DRs is developed and used for studying instability thresholds with the PyHEADTAIL code. Starting from a simplified model of the whole machine, the code allows to take into account the radiation damping and quantum excitation effects due to the synchrotron radiation emission and also the resistive wall contribution. The knowledge of the surface impedance up to hundreds of GHz, to which the bunch spectrum extends, is essential for the correct resistive wall impedance modeling of the coatings deposited on the vacuum chambers of the machine. Specifically, Non Evaporable Getter (NEG) is a commonly used coating to allow a distributed and continuous pumping in vacuum chambers and the amorphous Carbon (a-C) is deposited in order to avoid the onset of the Electron Cloud (EC) in the accelerator vacuum chamber. The core of this thesis consists in the development of a reliable, handy, and inexpensive measurement system for the Electromagnetic Characterization (EMC), in the sub-THz frequency range, of coating materials. The method is based on time domain measurements of an electromagnetic wave passing through a Device Under Test (DUT) made of a waveguide with a thin central slab, where the coating material is deposited on both sides. This device has two main advantages: the deposition homogeneity with predictable thickness and the possibility to reuse the system for further measurements on different coating materials. The assessment of the signal attenuation through the DUT is analytically evaluated and confirmed with numerical simulations. This novel technique is tested on slabs coated with NEG and allows the electromagnetic characterization and the surface impedance evaluation up to hundreds of GHz.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der Damping Ring Komplex des Compact LInear Collider (CLIC) soll ultra kleine Emittanzen für die linearen Beschleunigerstrecken produzieren um eine Luminosität von 2X10^34 cm2 s-1 bei einer Kollisionsenergie von 3 TeV zu erreichen. Aufgrund der hohen Intensität, der kurzen Teilchenpakete und der kleinen Emittanzen wird erwartet, dass Kollektiveffekte die Leistungsfähigkeit der DRs stark beeinträchtigen können und somit die erzielbare Intensität der Positronen- und Elektronenstrahlen limitieren, oder starke Beeinträchtigung der Strahlqualität verursachen. Die Auslegung der Maschine muss schon von Beginn an optimiert werden um zu gewährleisten, dass die Schwellwerte für alle Strahlinstabilitäten mit ausreichend Sicherheitsreserve über der Designintensität liegen. Dafür wird das Impedanzmodell des Damping Ring Komplexes entwickelt und für die Studie der Schwellwerte für Strahlinstabilitäten mit dem Simulationscode PyHEADTAIL verwendet. Zunächst wird ein vereinfachtes Modell der Maschine verwendet, welches dann schrittweise erweitert wird um die Synchrotronstrahlungseffekte und die Impedanz der Vakuumkammern (resistive wall) zu berücksichtigen. Dabei ist es kritisch die Oberflächenimpedanz von dünnen Beschichtungen der Vakuumkammern im Frequenzbereich bis zu mehreren hundert GHz, bis zu denen das Spektrum der Teilchenpakete reicht, richtig zu berücksichtigen. Von speziellem Interesse sind dabei einerseits Non Evaporable Getter (NEG) Beschichtungen die ein kontinuierliches und verteiltes abpumpen ermöglichen, und andererseits amorphous Carbon (a-C) Beschichtungen die verwendet werden um das Bilden von Elektronenwolken in den Vakuumkammern zu unterdrücken. Der Kern dieser Arbeit besteht in der Entwicklung einer zuverlässigen, praktischen und günstigen Methode für die elektromagnetische Charakterisierung von Beschichtungen im sub-THz Frequenzbereich. Die Methode basiert auf Messungen von elektromagnetischen Wellen, die durch ein Testobjekt bestehend aus einem Wellenleiter und einem auf beiden Seiten mit dem zu untersuchenden Material beschichteten dünnen Plättchen, in der Zeitdomäne. Dies hat folgende Vorteile: homogene Beschichtung mit bekannter Dicke und das Messsystem kann mehrmals verwendet werden um verschiedene Beschichtungsmaterialien zu messen. Die Signalabschwächung durch das Testobjekt ist analytisch berechnet und mit numerischen Simulationen verifiziert. Diese neue Messmethode wird an Plättchen mit NEG-Beschichtung getestet und erlaubt die elektromagnetische Charakterisierung der Oberflächenimpedanz bis hin zu mehreren hundert GHz.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
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields > Computational Electromagnetics
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields > Accelerator Physics
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields > Accelerator Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields > Electromagnetic Field Theory (until 31.12.2018 Computational Electromagnetics Laboratory)
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields
Date Deposited: 21 May 2019 06:44
Last Modified: 21 May 2019 06:44
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-86441
Referees: Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver and De Gersem, Prof. Dr. Herbert
Refereed: 23 April 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8644
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