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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 (2019)
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
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (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.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2019
Autor(en): Passarelli, Andrea
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Characterization of impedance and wakefields of accelerator devices in the short bunch limit and beam dynamics effects for the CLIC Damping Rings
Sprache: Englisch
Referenten: Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver ; De Gersem, Prof. Dr. Herbert
Publikationsjahr: 23 April 2019
Ort: Darmstadt
Datum der mündlichen Prüfung: 23 April 2019
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8644
Kurzbeschreibung (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.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

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.

Deutsch
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-86441
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Teilchenbeschleunigung und Theorie Elektromagnetische Felder > Computational Electromagnetics
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Teilchenbeschleunigung und Theorie Elektromagnetische Felder > Beschleunigerphysik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Teilchenbeschleunigung und Theorie Elektromagnetische Felder > Theorie Elektromagnetischer Felder
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Teilchenbeschleunigung und Theorie Elektromagnetische Felder
Hinterlegungsdatum: 26 Mai 2019 19:55
Letzte Änderung: 19 Feb 2021 12:21
PPN:
Referenten: Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver ; De Gersem, Prof. Dr. Herbert
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 23 April 2019
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