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Space Charge Effects in Energy Recovery Linacs

Khan, Aamna (2020):
Space Charge Effects in Energy Recovery Linacs.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00009495,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Space Charge Effects in Energy Recovery Linacs
Language: English
Abstract:

Recent technological advances in energy recovery linear accelerators (ERLs) have enabled us to access high energy and high brightness electron beam, allowing us to gain tremendous insights into fundamental physics while also envisioning diverse and robust applications for electron beams. ERLs are recirculating linacs that generate high quality electron beams, with these beams, energy is gained via multiple passes through a superconducting accelerating cavity. After the fully accelerated beam completes its interaction, for example, with an internal target, the electrons are decelerated in the linac, transferring their energy back to the cavity radio-frequency (RF) fields. However, as the beam brightness is increased, collective effects such as space charge considerably affect the beam quality. Space charge modifies the electron beam dynamics in dispersive regions along the beamline. Further, longitudinal space charge together with dispersion can lead to the amplification of the initial shot noise by density modulation along the beamline. This is known as microbunching instability.

In the past two decades, the microbunching instability has been intensively studied for storage rings and linac-based facilities. However, due to the increased intricacy of the machine configuration of ERLs compared to linacs, the existing microbunching instability analysis needs to be extended to maintain the high brightness of the electron beam in an ERL where space-charge-modifies the dispersion.

This dissertation focuses on the theoretical investigation of beam matching with space charge and space-charge-induced microbunching instability in the recirculation arcs of an ERL. It is shown that beam envelopes and dispersion along the recirculation arcs of an ERL, including space charge forces, can be matched to adjust the beam to the parameters of the subsequent RF structure. It is also shown that the space-charge-modified dispersion plays a key role in the adjustment of the momentum compaction required for both the isochronous and the non-isochronous recirculation mode of an ERL.

A coupled transverse-longitudinal beam matrix approach is used for matching with space charge and computing microbunching instability gain. The beam matrix approach is compared with particle tracking simulations. For a qualitative analysis, it is shown that one can use the smooth focusing approximation but with longitudinal-transverse coupling. Within this simplified model, the scaling of average dispersion, momentum compaction, and momentum deviation with space charge is investigated.

As an example case, the above model is applied to the recirculation arcs of the multi-turn Mainz Energy-recovering Superconducting Accelerator (MESA), so as to deliver a continuous wave beam at 105 MeV for physics experiments with a pseudo-internal target. Initially, a low-energy 5 MeV, 180° injection arc, which also works as a bunch compressor, is matched to the subsequent first RF structure of the projected MESA. Then, start to end simulations along the MESA beamline with space charge are conducted. Finally, limitations on beam intensity due to space charge effects are analyzed and models to circumvent these limitations are implemented.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die jüngsten technologischen Fortschritte bei energierückgewinnenden Linearbeschleunigern (Energy Recovery Linear Accelerators, ERLs) haben es uns ermöglicht, auf hochenergetische und hochintensive Elektronenstrahlen zuzugreifen, wodurch wir enorme Einblicke in die Grundlagen der Physik gewinnen und gleichzeitig vielfältige und robuste Anwendungen für Elektronenstrahlen entwickeln können. ERLs sind rezirkulierende Linearbeschleuniger, die Elektronenstrahlen von hoher Qualität erzeugen, deren Energie bei mehreren Durchgängen durch einen supraleitenden Beschleuniger-Resonator erhöht wird. Nachdem der vollbeschleunigte Strahl seine Interaktion, z.B. mit einem internen Target, abgeschlossen hat, werden die Elektronen im Linearbeschleuniger wieder abgebremst und übertragen ihre Energie zurück auf die Hochfrequenzfelder im Hohlraumresonator. Mit zunehmender Strahlintensität beeinflussen jedoch kollektive Effekte wie die Raumladung die Strahlqualität erheblich. Die Raumladung verändert die Elektronenstrahldynamik in dispersiven Bereichen entlang der strahlführenden Elemente. Darüber hinaus kann die longitudinale Raumladung zusammen mit der Dispersion zu einer Verstärkung des anfänglichen Schrotrauschens durch Dichtemodulation entlang der Strahlführung führen. Dies wird als Microbunching-Instabilität bezeichnet. In den letzten zwei Jahrzehnten wurde die Microbunching-Instabilität in Speicherringen und Linearbeschleunigern intensiv untersucht. Aufgrund der zunehmenden Komplexität der Maschinenkonfiguration von ERLs im Vergleich zu Linacs muss jedoch die bestehende Analyse der Microbunching Instabilität erweitert werden, um die hohe Intensität des Elektronenstrahls in einem ERL unter durch Raumladung veränderter Dispersion mit zu berücksichtigen. Diese Dissertation konzentriert sich auf die theoretische Untersuchung der Strahlanpassung mit Raumladung und der raumladungsinduzierten Microbunching-Instabilität in den Rezirkulationsbögen eines ERL. Es wird gezeigt, dass Strahl-Enveloppen und -Dispersion entlang der Rezirkulationsbögen eines ERL, einschließlich der Raumladungskräfte, angepasst werden können, um den Strahl an die Parameter der nachfolgenden HF-Struktur anzupassen. Es wird auch gezeigt, dass die durch Raumladungs modifizierte Dispersion eine Schlüsselrolle bei der Anpassung der des Momentum Compaction Faktors, sowohl für den isochronen als auch für den nicht-isochronen Rezirkulationsmodus eines ERL, spielt. Ein Matrix-Ansatz, jedoch unter Berücksichtigung der transversal - longitudinalen Kopplung, wird zur Anpassung mit Raumladung und zur Berechnung der Instabilitätsverstärkung durch Microbunching verwendet. Der Strahlmatrixansatz wird mit Teilchen-Tracking Simulationen verglichen. Für eine qualitative Analyse wird gezeigt, dass man die Approximation der glatten Fokussierung verwenden kann, jedoch mit Längs-Quer-Kopplung. In diesem vereinfachten Modell wird die Skalierung der durchschnittlichen Dispersion, des Momentum Compaction Faktors und der Impulsabweichung unter Berücksichtigung der Raumladung untersucht. Als Beispiel wird das obige Modell auf die Rezirkulationsbögen des mehrfach rezirkulierenden Mainzer Energy-recovery Superconducting Accelerator (MESA) angewandt, der einen kontinuierlichen Elektronen Strahl mit einer Strahlenergie von 105MeV für physikalische Experimente mit einem pseudo internen Target bereitstellen soll. Zunächst wird ein niederenergetischer (5MeV), 180° Injektionsbogen, der auch als Bunch-Kompressor arbeitet, an die nachfolgende erste HF-Struktur des geplanten MESA angepasst. Anschließend werden Start-to-End Simulationen entlang der strahlführenden Elemente von MESA mit Raumladung durchgeführt. Schließlich werden Einschränkungen der Strahlintensität durch Raumladungseffekte analysiert und Modelle zur Umgehung dieser Limitierungen implementiert.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields > Accelerator Physics
Date Deposited: 13 Jan 2020 09:02
Last Modified: 13 Jan 2020 09:27
DOI: 10.25534/tuprints-00009495
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-94959
Referees: Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver and Aulenbacher, Prof. Dr. Kurt
Refereed: 25 November 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9495
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