Published February 1991 | Version v1
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Dynamical aperture and chaotic particle motion in the HERA proton ring

Description

For large hadron storage rings the dynamic aperture is a crucial figure of the machine. A limitation of the dynamic aperture is due to nonlinear magnetic fields, which also include higher multipoles in the superconducting magnets. An efficient method for determining the dynamic aperture is described, as a promising alternative to long term tracking. This method is based on the detection of chaotic trajectories using tracking data for small turn numbers. The onset of chaos, which can be found at a certain amplitude, gives a lower bound for the actual dynamic aperture. For the detection of chaos it is advisable, to extend a programme which is normally used for simple tracking, as to compute not only the actual phase space coordinates of the tracked particle, but also the corresponding Jacobian matrix of the canonical variables in phase space. The Jacobian expresses the dependence of the final coordinates on the initial ones in a linear approximation. The extension can be done very easily in four dimensions, but it is fairly complicated if synchrotron oscillations are to be included. The Jacobian matrix can be thought of as the transfer matrix of a very long imaginary transport line, the zero axis of which is the actual trajectory. This transport line has a basic periodicity corresponding to the storage ring length. The periodicity is disturbed by the nonlinear fields around the tracked particle. The eigenvalues of the calculated Jacobians contain information about the divergence of nearby trajectories in phase space. By use of this fact a measure of chaoticity can be calculated. This measure is the Lyapunov exponent, which is known from the theory of nonlinear dynamics. The described procedure allows an easy detection of the onset of chaos. Its application to the HERA proton ring is shown in addition to usual tracking calculations. It is found, that the dynamic acceptance experted for HERA is twice as large as the acceptance needed for operation. (orig.)

Availability note (English)

MF available from INIS under the Report Number.

Abstract (German)

Die Identifizierung chaotischer Trajektorien in Computersimulationen der nichtlinearen Teilchenbewegung gestattet es, potentiell instabile Bereiche im Phasenraum zu ermitteln. Man ist damit in der Lage, einen Naeherungswert fuer die dynamische Apertur eines Protonen-Speicherringes zu bestimmen. Um in Simulationsrechnungen chaotische von regulaeren Bahnen zu unterscheiden, lassen sich Verfahren einsetzen, die auf der Theorie nichtlinearer Hamiltonscher Systeme aufbauen. Das Tracking-Programm RACETRACK ist dahingehend erweitert worden, dass es neben den aktuellen Teilchenkoordinaten auch ein Mass fuer die Chaotizitaet der betrachteten Trajektorie berechnet, den sogenannten Lyapunov-Exponenten. In einer Post-Mortem-Routine koennen die Tracking-Daten und die Lyapunov-Exponenten im Anschluss an die eigentliche Tracking-Rechnung genauer analysiert werden. Beispielsweise werden Autokorrelationsfunktionen verschiedener dynamischer Groessen gebildet. Diese Verfahren wurden zusammen mit herkoemmlichen Tracking-Rechnungen auf den HERA-Protonen-Ring angewendet. Im Q-Diagramm wurde die Abhaengigkeit der dynamischen Apertur vom Arbeitspunkt untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass eine Kompensation der gedrehten Quadrupolmomente in den supraleitenden Dipol-Magneten zu einer deutlichen Akzeptanz-Verbesserung fuehrt. Die Dekapol-Korrektur-Spulen erhoehen sowohl die Akzeptanz ueber 1000 Umlaeufe als auch die durch das Einsetzen von Chaos definierte dynamische Apertur. Relative Energieabweichungen von zwei Promille haben eine Abnahme der Akzeptanz um lediglich 30% zur Folge. Die dynamische Akzeptanz fuer den HERA-Protonen-Ring wurde durch Ermittlung chaotischer Trajektorien bestimmt. Sie ist etwa halb so gross wie die Akzeptanz fuer 1000 Umlaeufe. Diesem Wert entspricht eine dynamische Apertur, die nahezu um einen Faktor √2 groesser ist als der operationelle Aperturbedarf. (orig.)

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Original title (German)
Dynamische Apertur und chaotische Teilchenbewegung im HERA-Protonen-Ring

Publishing Information

Imprint Pagination
84 p.
Report number
DESY-HERA--91-03