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Electron cloud formation in CERN particle accelerators and its impact on the beam dynamics

Romano, Annalisa :
Electron cloud formation in CERN particle accelerators and its impact on the beam dynamics.
[Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8071]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2018)

Offizielle URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8071

Kurzbeschreibung (Abstract)

In high energy accelerators operating with positively charged particles, photoemission and secondary emission can give rise to an exponential electron multiplication within the beam chamber, which leads to the formation of a so-called Electron Cloud (EC). The formation of an EC in a particle accelerator can be responsible for local detrimental phenomena (e.g. heat load on the chamber's wall, pressure rise, noise in beam diagnostics) and for the deterioration of the beam quality due to the electromagnetic forces exerted by the EC on the beam particles. The present thesis work addresses EC effects in the CERN Large Hadron Collider (LHC) and in its injector the Super Proton Synchrotron (SPS) by means of numerical simulations and experimental studies. At the LHC, the formation of ECs in the cryogenic arcs has been identified as one of the main limitations for the performance of the machine, due to the additional heat load deposited on the perforated beam screen. In the framework of the design of the beam screens of the new High Luminosity LHC magnets, the impact of the pumping slot shields (added to preserve the superconducting state of these magnets) on the multipacting process has been addressed by introducing new features in the PyECLOUD simulation code. Besides these local effects, the EC can also significantly influence the beam dynamics in terms of both coherent and incoherent effects. The understanding of these phenomena heavily relies on numerical simulations carried out with the PyECLOUD-PyHEADTAL interface. This new setup offers significant improvements to the modeling of EC induced beam dynamics. Indeed, it allowed simulating for the first time the impact on the beam stability of the EC in the quadrupoles and explaining the driving mechanism of several EC observations at the LHC during the 2015-2017 proton run. Furthermore, potential mitigation techniques have been investigated. EC effects are also found to be a major concern for the SPS, in particular for the production of the high intensity beam foreseen by the LHC Injectors Upgrade project. In this framework, the efficiency of the coating realized with a newly developed technique to suppress the electron multipacting has been investigated with numerical simulations. In this case, the beam chambers have been modeled with a non-uniform Secondary Electron Yield profile in order to reproduce the coating as achievable with the hollow cathode procedure.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2018
Autor(en): Romano, Annalisa
Titel: Electron cloud formation in CERN particle accelerators and its impact on the beam dynamics
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

In high energy accelerators operating with positively charged particles, photoemission and secondary emission can give rise to an exponential electron multiplication within the beam chamber, which leads to the formation of a so-called Electron Cloud (EC). The formation of an EC in a particle accelerator can be responsible for local detrimental phenomena (e.g. heat load on the chamber's wall, pressure rise, noise in beam diagnostics) and for the deterioration of the beam quality due to the electromagnetic forces exerted by the EC on the beam particles. The present thesis work addresses EC effects in the CERN Large Hadron Collider (LHC) and in its injector the Super Proton Synchrotron (SPS) by means of numerical simulations and experimental studies. At the LHC, the formation of ECs in the cryogenic arcs has been identified as one of the main limitations for the performance of the machine, due to the additional heat load deposited on the perforated beam screen. In the framework of the design of the beam screens of the new High Luminosity LHC magnets, the impact of the pumping slot shields (added to preserve the superconducting state of these magnets) on the multipacting process has been addressed by introducing new features in the PyECLOUD simulation code. Besides these local effects, the EC can also significantly influence the beam dynamics in terms of both coherent and incoherent effects. The understanding of these phenomena heavily relies on numerical simulations carried out with the PyECLOUD-PyHEADTAL interface. This new setup offers significant improvements to the modeling of EC induced beam dynamics. Indeed, it allowed simulating for the first time the impact on the beam stability of the EC in the quadrupoles and explaining the driving mechanism of several EC observations at the LHC during the 2015-2017 proton run. Furthermore, potential mitigation techniques have been investigated. EC effects are also found to be a major concern for the SPS, in particular for the production of the high intensity beam foreseen by the LHC Injectors Upgrade project. In this framework, the efficiency of the coating realized with a newly developed technique to suppress the electron multipacting has been investigated with numerical simulations. In this case, the beam chambers have been modeled with a non-uniform Secondary Electron Yield profile in order to reproduce the coating as achievable with the hollow cathode procedure.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Theorie Elektromagnetischer Felder
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Theorie Elektromagnetischer Felder > Beschleunigerphysik
Hinterlegungsdatum: 30 Sep 2018 19:55
Offizielle URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8071
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-80716
Gutachter / Prüfer: Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver ; van Rienen, Prof. Dr. Ursula
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 20 August 2018
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
In Beschleunigern, die positiv geladene Teilchen zu hohen Energien beschleunigen, können Photo-, und Sekundäremissionen zu exponentieller Elektronenvermehrung in der Strahlkammer führen. Daraus kann sich eine sogenannte Elektronenwolke (Electron Cloud, EC) bilden. Eine EC kann in einem Teilchenbeschleuniger für lokal auftretende Phänomene wie z.B. thermische Belastung der Kammerwände, Druckanstieg oder Rauschen in der Strahldiagnostik verantwortlich sein. Auch können elektromagnetische Kräfte die von der EC auf die Teilchen des Strahls ausgeübt werden zu einer Verminderung der Strahlqualität führen. Die vorliegende Arbeit behandelt am CERN auftretende EC Effekte mittels Simulationen und experimenteller Studien. Der Fokus liegt hierbei auf dem Large Hadron Collider (LHC) und dessen Injektor, dem Super Proton Synchotron (SPS). Im LHC wurde die EC in den tieftemperatur Ringsegmenten als eine der Hauptlimitierungen für die Leistungsfähigkeit der Maschine ausgemacht, da sie das Wärmeschild der Magnete zusätzlich thermisch belastet. Im Rahmen der Entwicklung des Wärmeschilds für die neuen High Luminosity LHC (HL-LHC) Magnete wurden die Vakuumpumpenöffnungen abgeschirmt, um die Magnete im supraleitenden Zustand zu halten. Der Einfluss dieser Schirmung auf den Prozess der Elektronenmultiplikation wird in dieser Arbeit untersucht. Dafür wurde eine neue Funktion im PyECLOUD Code implementiert. Neben den lokalen Effekten kann die EC auch die Strahldynamik bezüglich kohärenter und inkohärenter Effekte erheblich beeinflussen. Das Verständnis dieser Mechanismen hängt hauptsächlich von numerischen Simulationen ausgeführt mit der PyECLOUD - PyHEADTAIL Software ab. Dieser innovative Ansatz verbessert die Modellierung der durch die EC beeinflusste Strahldynamik deutlich. Erstmals konnte das Einwirken der EC auf die Strahldynamik in den Quadrupolen simuliert werden. Der Mechanismus hinter zahlreichen EC Beobachtungen während des LHC Protonen Laufs von 2015 bis 2017 konnte so analysiert werden. Zusätzlich wurden potentielle Stabilisierungstechniken untersucht. EC Effekte sind auch ein Hauptanliegen im SPS, da dieser für das LHC Injectors Upgrade (LIU) Projekt Strahle mit höherer Intensität produzieren soll. Die vorliegende Arbeit untersucht die Effektivität einer amorphen Kohlenstoffbeschichtung, welche die Elektronenmultiplikation unterdrucken soll, anhand von numerischer Simulationen. Die Strahlkammer wird hierfür mit einem variierenden Sekundärelektronenemissionsprofil modelliert, um eine Beschichtungen mit der hollow-cathode Methode zu reproduzieren.Deutsch
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