Published January 13, 2017 | Version v1
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Beam Measurements of the Longitudinal Impedance of the CERN Super Proton Synchrotron

Description

One of the main challenges of future physics projects based on particle accelerators is the need for high intensity beams. However, collective effects are a major limitation which can deteriorate the beam quality or limit the maximum intensity due to losses. The CERN SPS, which is the last injector for the LHC, is currently unable to deliver the beams required for future projects due to longitudinal instabilities. The numerous devices in the machine (accelerating RF cavities, injection and extraction magnets, vacuum flanges, etc.) lead to variations in the geometry and material of the chamber through which the beam is travelling. The electromagnetic interaction within the beam (space charge) and of the beam with its environment are described by a coupling impedance which affects the motion of the particles and leads to instabilities for high beam intensities. Consequently, the critical impedance sources should be identified and solutions assessed. To have a reliable impedance model of an accelerator, the contributions of all the devices in the ring should be evaluated from electromagnetic simulations and measurements. In this thesis, the beam itself is used to probe the machine impedance by measuring the synchrotron frequency shift with intensity and bunch length, as well as the line density modulation of long bunches injected with the RF voltage switched off. These measurements are compared with macroparticle simulations using the existing SPS impedance model, and the deviations are studied to identify missing impedance sources and to refine the model. The next important step is to reproduce in simulations the measured single bunch instabilities during acceleration, in single and double RF system operation. Thanks to the improved impedance model, a better understanding of instability mechanisms is achieved for both proton and ion beams. Finally, as the simulation model was shown to be trustworthy, it is used to estimate the beam characteristics after the foreseen SPS upgrades the High Luminosity-LHC project at CERN. (author)

Abstract (French)

Un des defis pour les futurs projets en physique base sur les accelerateurs de particules est le besoin de faisceaux a hautes intensites. Les effets collectifs sont cependant une limitation majeure qui peuvent deteriorer la qualite du faisceau ou limiter l'intensite maximale a cause des pertes. Le CERN SPS, qui est le dernier injecteur pour le LHC, n'est actuellement pas en mesure de delivrer les faisceaux requis pour les futurs projets a cause des instabilites longitudinales. Les nombreux equipements dans la machine (les cavites RF acceleratrices, les aimants d'injection et d'extraction, les brides de vide, etc.) entrainent des variations dans la geometrie et les materiaux de la chambre dans laquelle le faisceau transite. Les interactions electromagnetiques internes au faisceau (charge d'espace) et du faisceau avec son environnement sont representees par une impedance de couplage qui affectent le mouvement des particules et menent a des instabilites pour des intensites elevees de faisceau. Par consequent, les sources d'impedance critiques doivent etre identifiees et des solutions evaluees. Pour avoir un modele d'impedance fiable d'un accelerateur, les contributions de tous les equipements dans l'anneau doivent etre evaluees a partir de simulations et de mesures electromagnetiques. Dans cette these, le faisceau lui-meme est utilise comme une sonde de l'impedance de la machine en mesurant le deplacement de la frequence synchrotronique avec l'intensite et la longueur du paquet, ainsi que la modulation de longs paquets injectes avec la tension RF eteinte. Ces mesures sont comparees avec des simulations par macroparticules en utilisant le modele d'impedance du SPS existant, et les deviations sont etudiees pour identifier les sources d'impedance manquantes pour raffiner le modele. L'etape suivante consiste a reproduire en simulations les instabilites mesurees pour un paquet unique durant l'acceleration. Grace a l'amelioration du modele d'impedance, une meilleure comprehension des mecanismes de l'instabilite est rendue possible pour les faisceaux de protons et d'ions. Finalement, le modele pour les simulations etant digne de confiance, il est utilise pour estimer les caracteristiques du faisceau apres les ameliorations prevues du SPS pour le projet High Luminosity-LHC au CERN. (auteur)

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Original title (English)
Mesures de l'impedance longitudinale avec le faisceau du Cern super proton synchrotron

Publishing Information

Imprint Pagination
135 p.
Report number
FRNC-TH--13319

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Notes
85 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses