Dynamique longitudinale du faisceau dans les anneaux de stockage d'électrons équipés d'un système RF harmonique pour allonger les paquets : Application aux sources de lumière synchroton et amélioration du temps de vie attendue à l'ESRF

par Vincent Serrière

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Michel Ortéga.

Soutenue en 2002

à Paris 11, Orsay .


  • Résumé

    Sur les sources circulaires de rayonnement synchrotron, des cavités RF harmoniques permettent d'augmenter la durée de vie Touschek d'un facteur 2 à 4 en allongeant les paquets. Certains effets secondaires peuvent limiter le gain en durée de vie, voire déstabiliser le faisceau ou au contraire le stabiliser. Le but de cette thèse a été l'évaluation de systèmes RF harmoniques en tenant compte de leur interaction avec tous les mécanismes de dynamique longitudinale dans diverses conditions d'opération. Des modèles de poursuite (tracking) ont été développés car les méthodes de calcul standard ne s'appliquent pas aux fortes non linéarités de l'onde RF obtenue. Un code de tracking multipaquet avec une particule par paquet a servi à comprendre les effets transitoires importants observés avec le système RF harmonique d'ALS et un trou de 17% dans le remplissage de l'anneau de stockage. Les calculs confirment que la durée de vie ne peut être augmentée au delà d'un facteur 1,4. Les simulations sont également en accord avec des mesures systématiques effectuées à BESSY II. L'implémentation d'un code de tracking multipaquet multiparticules a permis d'inclure les mouvements cohérents multipaquets et les effets monopaquets. Les simulations expliquent bien l'amortissement Landau d'instabilités multipaquets observé sur différentes machines. Des paquets intenses sont déjà allongés par l'interaction avec l'impédance de l'anneau. Les simulations indiquent qu'un système harmonique peut apporter un allongement supplémentaire significatif. En tenant compte de tous les effets longitudinaux, il s'avère qu'une seule cavité harmonique supraconductrice active constituerait la solution la plus adaptée à l'ESRF. Pour les modes de remplissage monopaquet et à seize paquets, des augmentations de durée de vie de facteurs 2 et 3 pourraient respectivement être obtenues.


  • Résumé

    Harmonic cavities have been installed on various storage ring light sources to increase the Touschek lifetime by a factor 2 to 4 by lengthening the bunches. Several side effects have been observed, which limit the gain in lifetime. In the worst case, the beam stability can be altered, but harmonic cavities can also provide a stabilising effect. The purpose of this thesis was to evaluate the performance of harmonic RF systems and their interaction with all longitudinal beam dynamics issues under various operation conditions. Special particle tracking models have been developed, as well-known analytical calculations no longer apply to the resulting non-linear RF waveform. A multibunch single particle tracking code has been implemented to understand the strong transient beam loading effects with the ALS harmonic RF system for a 17% gap in the storage ring fill. Computations confirm the observed limitation in beam lifetime improvement to a factor 1. 4. Systematic experiments carried out at BESSY II are also in good agreement with the simulations. A multibunch multiparticle tracking code has been developed to include multibunch coherent motion as well as single bunch effects. The simulations explain the strong Landau damping of coupled bunch instabilities observed on several machines. Bunches with high intensities are already elongated by the interaction with the ring impedance. The computations indicate that a harmonic RF system can provide significant additional lengthening. Under consideration of all longitudinal effects, it turns out that a single active superconducting harmonic cavity would constitute the most appropriate solution for the ESRF. For the single and sixteen bunch fill patterns, an improvement in beam lifetime by a factor 2 and 3 could be obtained, respectively.

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Informations

  • Détails : viii-129 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.119-121

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : M/Wg ORSA(2002)275
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