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Space-charge driven transverse beam instabilities in synchrotrons

Yuan, Yaoshuo :
Space-charge driven transverse beam instabilities in synchrotrons.
[Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8215]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2018)

Offizielle URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8215

Kurzbeschreibung (Abstract)

Intense proton or ion beams in charged-particle accelerators are of fundamental importance for many research areas, which relay on such beams, such as those requiring spallation neutrons or radioactive beams. The main subject of this thesis is the detailed investigation of the intense beam motion and instability in synchrotrons, based on two approaches: particle-in-cell (PIC) simulations and the numerical methods for calculating the beam's envelope motion. In the former approach, the accelerator simulation code pyORBIT is employed. In the latter, the widely-used two dimensional (2-D) beam envelope model is extended with a dispersion equation, to describe the beam's coherent motion under the combined effect of space charge and dispersion in circular accelerators. Full numerical solution of the extended envelope model reveals that a new coherent mode, namely, dispersion mode, exists besides the well-known envelope modes. Based on the perturbation theory, the analysis of the beam stability shows that for a phase advance larger than $120^{\circ}$ and sufficiently high intensity, the dispersion mode becomes unstable, and induces the newly discovered ``$120^{\circ}$ dispersion instability''. These numerical results were validated with PIC simulations, showing good agreement.

Bunch compression achieved via a fast bunch rotation in longitudinal phase space is a well-accepted scheme to generate short, intense ion bunches for various applications. In this thesis, the set of transverse envelope equations including dispersion are coupled with the longitudinal envelope equation to describe the three dimensional (3-D) beam motion during bunch compression. Furthermore, based on the 3-D coupled envelope model and PIC simulations, an analysis of the relevant space-charge driven beam instability and the particle resonance phenomena during bunch compression is presented. The agreement between the envelope and PIC results indicates that the stop band of the $120^{\circ}$ dispersion instability should be avoided during bunch compression.

This work also investigates the stability of all possible second order coherent modes of beams, with a complete set of second-moment oscillation equations. Results are compared with earlier results on mode frequencies obtained from the linearized Vlasov-Poisson equation. Excellent agreement is found in the case of the ``tilting instability'' in constant focusing, which confirms the equivalence of both models - on the level of second order perturbations. In periodic focusing structures the stop bands of the ``sum envelope instability'' are obtained and found to be in very good agreement with PIC simulations, which completes the picture of second order coherent modes in 2-D high intensity beams.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2018
Autor(en): Yuan, Yaoshuo
Titel: Space-charge driven transverse beam instabilities in synchrotrons
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Intense proton or ion beams in charged-particle accelerators are of fundamental importance for many research areas, which relay on such beams, such as those requiring spallation neutrons or radioactive beams. The main subject of this thesis is the detailed investigation of the intense beam motion and instability in synchrotrons, based on two approaches: particle-in-cell (PIC) simulations and the numerical methods for calculating the beam's envelope motion. In the former approach, the accelerator simulation code pyORBIT is employed. In the latter, the widely-used two dimensional (2-D) beam envelope model is extended with a dispersion equation, to describe the beam's coherent motion under the combined effect of space charge and dispersion in circular accelerators. Full numerical solution of the extended envelope model reveals that a new coherent mode, namely, dispersion mode, exists besides the well-known envelope modes. Based on the perturbation theory, the analysis of the beam stability shows that for a phase advance larger than $120^{\circ}$ and sufficiently high intensity, the dispersion mode becomes unstable, and induces the newly discovered ``$120^{\circ}$ dispersion instability''. These numerical results were validated with PIC simulations, showing good agreement.

Bunch compression achieved via a fast bunch rotation in longitudinal phase space is a well-accepted scheme to generate short, intense ion bunches for various applications. In this thesis, the set of transverse envelope equations including dispersion are coupled with the longitudinal envelope equation to describe the three dimensional (3-D) beam motion during bunch compression. Furthermore, based on the 3-D coupled envelope model and PIC simulations, an analysis of the relevant space-charge driven beam instability and the particle resonance phenomena during bunch compression is presented. The agreement between the envelope and PIC results indicates that the stop band of the $120^{\circ}$ dispersion instability should be avoided during bunch compression.

This work also investigates the stability of all possible second order coherent modes of beams, with a complete set of second-moment oscillation equations. Results are compared with earlier results on mode frequencies obtained from the linearized Vlasov-Poisson equation. Excellent agreement is found in the case of the ``tilting instability'' in constant focusing, which confirms the equivalence of both models - on the level of second order perturbations. In periodic focusing structures the stop bands of the ``sum envelope instability'' are obtained and found to be in very good agreement with PIC simulations, which completes the picture of second order coherent modes in 2-D high intensity beams.

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: 02 Dez 2018 20:55
Offizielle URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8215
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-82155
Gutachter / Prüfer: Boine-Frankenheim, Prof. Oliver ; Ratzinger, Prof. Ulrich
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 6 November 2018
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Intensive Protonen- und Ionenstrahlen in Teilchenbeschleunigern sind von fundamentaler Bedeutung f\"ur viele Forschungsgebiete, die auf solchen Strah\-len beruhen, wie beispielsweise solche, die Spallationsneutronen oder radioaktive Strahlen erfordern. Der Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von Bewegung und Stabilit\"at intensiver Strahlen in Be\-schleu\-ni\-gern, insbesondere in Ring\-be\-schleu\-ni\-gern. Die Untersuchungen basieren auf zwei Methoden, so genannten particle-in-cell (PIC) simulationen und auf numerischen Methoden zur Berechnung der Bewegung der Strahlenveloppe. F\"ur erstere wurde das Computerprogramm PyORBIT verwendet. F\"ur letztere wurde das weit verbreitete zweidimensionale Strahlenveloppenmodell um eine Dispersionsgleichung erweitert, um die koh\"arente Beweung des Strahles unter gleichzeitigem Einfluss von Raumladung und Dispersion in Ring\-be\-schleu\-ni\-gern zu beschreiben. Die vollst\"andige numerische L\"osung des er\-wei\-ter\-ten Enveloppenmodells zeigt, dass neben den wohlbekannten Enveloppenschwingungen eine weitere koh\"arente Schwingungsart existiert, n\"amlich die Dispersionsschwingung. Die auf St\"orungsrechnung basierende Analyse der Strahlstabilit\"at zeigt, dass f\"ur einen Phasevorschub von mehr als $120^{\circ}$ und gen\"ugend hohe Intensit\"at die Dispersionsschwingung instabil wird und die neu entdeckte $120^{\circ}$-Dispersionsinstabilit\"at hervor ruft. Diese numerischen Ergebnisse wurden mit PIC-Simulationen validiert. Es wurde gute \"Uberein\-stim\-mung gefunden. Die so-genannte bunch compression is ein \"ubliches Schema, um durch schnelle Rotation eines Teilchenpaketes im longitudinalen Phasenraum kurze intensitve Teilchenpakete f\"ur verschiedene Anwendungen zu erzeugen. In dieser Arbeit wurden die transversalen Envoppengleichungen unter Ein\-be\-zie\-hung der Dispersion mit der longitudinalen Enveloppengleichung gekoppelt, um die dreidimensionale Bewegung eines Teilchenpakets w\"ahrend der bunch compression zu beschreiben. Au\ss{}erdem wird eine Analyse der relevanten raumladungsgetriebenen Strahlinstabilit\"at und der Teil\-chen\-re\-so\-nanz\-ph\"a\-no\-me\-ne w\"ahrend der bunch compression pr\"asentiert, die auf dem drei\-di\-men\-sio\-na\-len Enveloppenmodell mit transversal-longitudinaler Kopplung und PIC-Simulationen basiert. Der Mechanismus, der die Dominanz der Strahlinstabilit\"at oder der Teil\-chen\-re\-so\-nanz bewirkt, wird f\"ur zwei F\"alle diskutiert, bei denen der Phasenvorschub einen bestimmten Wert kreuzt, und auf das GSI-Schwer\-ionen\-syn\-chro\-tron SIS-18 angewendet. Es wird gezeigt, dass w\"ahrend der bunch compression eine vierzahlige Einteilchenresonanz angeregt wird, wenn der Phasenvorschub $90^{\circ}$ kreuzt. Dagegen wird die k\"urzlich entdeckte dispersionsgetriebene Instabilit\"at angeregt, wenn der Phasenvorschub $120^{\circ}$ kreuzt. Die \"Ubereinstimmung der Ergebnisse des Enveloppenmodells und der PIC-Simulationen zeigt, dass das stop band durch die $120^{\circ}$-Dis\-per\-sions\-in\-sta\-bi\-li\-t\"at definiert ist, die daher w\"ahrend der bunch compression vermieden werden sollte. Diese Arbeit untersucht auch die Stabilit\"at aller m\"oglichen koh\"arenten Strahlschwingungen zweiter Ordnung mit einem vollst\"andigen System von Zweite-Moment-Schwingungsgleichungen. Ergebnisse werden mit \"alteren Er\-geb\-nis\-sen zu Schwingungsfrequenzen verglichen, die durch L\"osung der li\-ne\-ari\-sier\-ten Vlasov-Poisson-Gleichung erhalten wurden. Exzellente \"Uber\-ein\-stim\-mung wurde im Falle der so ge\-nann\-ten tilting instability f\"ur kons\-tan\-te Fokussierung gefunden, was die \"Aquivalenz der beiden Modelle bei Ber\"ucksichtigung von St\"orungen bis zur zweiten Ordnung best\"atigt. In Strukturen mit periodischer Fokussierung wurden die stop bands der so ge\-nann\-ten sum envelope instability erhalten, wobei eine gute \"Ubereinstimmung zu Ergebnissen der PIC-Simulationen gefunden wurde. Dies vervollst\"andigt das Bild der koh\"arenten Schwingungen zweiter Ordnung in zweidimensionalen Strahlen hoher Intensit\"at.Deutsch
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