Investigations théorique et expérimentale sur la dynamique non linéaire des particules chargées dans les anneaux de stockage de troisième génération

par Mahdia Belgroune

Thèse de doctorat en Physique des accélérateurs

Sous la direction de Marie-Emmanuelle Couprie.


  • Résumé

    L'objectif principal de ce travail est d'étudier la dynamique non linéaire des particules chargées dans les anneaux de stockage de troisième génération. La complexité de tels systèmes restreint l'approche à une particule, utilisée dans les codes de simulation, à ses limites de validité lorsqu'elle est comparée au centre de charge du faisceau dans un anneau réel. Une étude à la fois théorique et expérimentale a été mise en place où les prédictions théoriques ont été principalement effectuées pour le synchrotron SOLEIL et les expériences conduites sur trois sources de troisième génération existantes, BESSY II (Allemagne), l'ESRF (France) et SLS (Suisse) et une source dite de génération 2 et ½, Super –ACO (France). Le but étant d'assurer la meilleure ouverture dynamique on momentum ainsi que off momentum jusqu'à des écarts en énergie élevés (jusqu'à ± 6% dans le cas de SOLEIL) afin d'assurer les meilleures efficacité d'injection et durée de vie Touschek possibles. Des études réalistes ont été effectuées pour SOLEIL où des erreurs de couplage, des composantes multipolaires, une insertion sous vide U20, des dimensions réalistes de la chambre à vide,. . . . Etc, ont été considérés. Ces études ont principalement permis de définir le meilleur point de fonctionnement pour l'anneau. Un accroissement rapide de l'amplitude verticale de la particule dû au croisement des nombres d'onde (ou à la résonance de couplage linéaire) a été identifié comme étant limitatif pour les particules Touschek. Nous montrerons ici comment le contrôle des variations des nombres d'onde avec l'énergie et l'amplitude permet de s'affranchir de cette limitation et d'améliorer ainsi les performances des sources de troisième génération, particulièrement caractérisées par des ouvertures verticales réduites comme celles des chambres des insertions sous vide. Deux autres effets limitatifs ont été identifiés : Les durées de vie Touschek très optimalistes en 4D peuvent être réduites d'un facteur 2 lorsque le second ordre du facteur de compression des moment a2, est pris en compte. Cet effet semble affecter la plupart des sources de troisième génération. Une seconde limitation provient des jeux de correcteurs dipolaires qui se trouvent dans les hexapôles de l'anneau. Dépendant du choix du jeu utilisé pour la correction de l'orbite fermée, des composantes décapolaires dues aux correcteurs horizontaux peuvent affecter significativement la durée de vie. L'Analyse en Fréquences a été très largement utilisée pour effectuer ces études et a principalement permis d'identifier les résonances de couplage, linéaires et non linéaires, responsables des limitations. Aussi, l'importance d'un tracking 6D a été démontrée.

  • Titre traduit

    Theoritical and experimental investigations on non linear beam dynamics in third generation light sources


  • Résumé

    The purpose of the present work is to study the non-linear beam dynamics in third generation light sources. Complexity of such systems restricts the single particle approach used in simulation codes to its limits of validity when compared to the centre of charge of the beam in real storage rings. In order to investigate such complex systems we used a dual approach, in which simulation results have been performed for Synchrotron SOLEIL and the measurements taken on three existing third generation light sources, namely BESSY II, ESRF and SLS and the 2 and ½ generation one, Super –ACO. The main figures of merit are a good on momentum dynamic aperture and good off momentum dynamics till large energy deviations (around ± 6% in machines such as SOLEIL) to insure the best injection efficiency and Touschek lifetime possible. Realistic studies have been performed for SOLEIL in which coupling errors, multipolar errors, one type of in-vacuum insertion devices and a realistic physical aperture have all been considered. These studies helped to define the best working point for the machine. Fast increase in the vertical amplitudes due to the transverse tune shift crossing (or to the linear coupling resonance) has been identified as a serious limiting effect for Touschek scattered particles. We will show here how control of both tunes shift with energy and amplitude can improve the performances of third generation storage rings particularly characterized by very small vertical apertures such as in-vacuum undulators and narrow gap vessels. Two other limiting effects have been identified: Very optimistic Touschek lifetimes can be reduced by almost 50% when the effect of the second order momentum compaction factor a2 is considered. This effect has been seen to affect most of the present third generation light sources. Furthermore, if the machine has dipole corrector magnets located in the sextupoles for closed orbit correction, the lifetime can be affected by the decapolar components created in the horizontal correctors. This is significant for some corrector settings. Frequency Map Analysis technique has been extensively used to perform these studies. It helped to identify the limiting linear and non-linear coupling resonances. In addition, the importance of the 6D tracking has been clearly demonstrated.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (280 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. en fin de chapitres

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  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 0g ORSAY(2005)153
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