Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Centre de recherches en physique des plasmas CRPP (CRPP Association Euratom CRPP-AE)

Beam-cavity interactions in high power cyclotrons

Stingelin, Lukas ; Tran, Minh Quang (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3169.

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    Summary
    The ring cyclotron of the Paul Scherrer Institute (PSI) accelerates an intense proton beam from 72MeV up to 590MeV. This happens in four cavities of very high quality factor, oscillating in the fundamental mode. The beam can excite parasitic oscillation modes (HOMs), because of its time structure. Measurements showed that their field can leak out into the vacuum chamber. Until now, there is no tool available to predict the potentially harmful effect of these HOMs onto the beam operation of the cyclotron. It is foreseeable that these effects might play a role if even higher beam currents have to be accelerated. This dissertation therefore deals with the numerical analysis and measurement of beam-cavity interactions. First calculations for a single cavity, interacting with a proton bunch were performed with MAFIA's eigenmode- (E3), time domain- (T3) and particle-in-cell (TS3) solvers. However, the structured grid and the limited computing performance of MAFIA make realistic simulations impossible. A simplified computation method is developed in this dissertation since a self-consistent simulation is impossible on today's computers: The parallel eigensolver Omega3P of the Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) allowed us to calculate eigenmodes of the entire ring cyclotron for the first time ever. The rf fields are expanded onto a superposition of these modes and the excitation is calculated in frequency domain. Trajectories of the particles in the static magnetic field, superposed with the space charge fields and the beam excited HOMs, are then simulated. However, the quantitative accuracy of this model is still limited. On the one hand, because of the simplification in the geometry of the simulated rf structure, which otherwise would lead to a problem size going beyond the available computing resources. On the other hand, because it is not yet possible to simulate strongly absorbing boundaries more accurately. The simulation results confirm that up to proton beam currents of 2mA, corresponding to the routinely accelerated beam intensities, only a small deformation of the charge distribution appears. This thesis leads to a new simulation tool for further studies of intensity increases in high power cyclotrons.
    Zusammenfassung
    Im Ringzyklotron des Paul Scherrer Instituts (PSI) wird ein hochintensiver Protonenstrahl von 72MeV auf 590MeV beschleunigt. Dies geschieht in vier Kavitäten sehr hoher Güte, die im Grundmode schwingen. Infolge seiner Zeitstruktur kann der Strahl in diesen Kavitäten parasitäre Schwingungsmoden höherer Ordnung (HOM) anregen. Messungen zeigen, dass diese zum Teil durch den Strahlspalt in die Vakuumkammer abgestrahlt werden. Da man einerseits bis heute keine Mittel zur Verfügung hat, den potentiell schädlichen Einfluss dieser HOMs auf den Strahlbetrieb des Zyklotrons vorauszusagen und andererseits davon auszugehen ist, dass sie bei der Beschleunigung von noch höheren Strahlströmen eine Rolle spielen, beschäftigt sich diese Arbeit mit der Strahl-Kavitäts- Wechselwirkung. Erste Berechnungen derWechselwirkung eines Strahlpaketes mit einer Kavität wurden mit den Eigenmode- (E3), Zeitbereich- (T3) und Particle-In-Cell (TS3)-Lösern von MAFIA durchgeführt. Das strukturierte Gitter und die limitierte Rechenleistung von MAFIA verunmöglichen aber realistische Simulationen. Da eine selbstkonsistente Lösung im Zeitbereich mit den heutigen Rechenanlagen nicht möglich ist, wird in dieser Arbeit ein vereinfachtes Rechenverfahren entwickelt: Der parallele Eigenlöser Omega3P vom Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) ermöglicht erstmals, Eigenmoden des ganzen Ringzyklotrons zu berechnen. Die HF-Felder lassen sich durch diese Eigenmoden darstellen und deren Anregung durch den Strahlstrom kann im Frequenzbereich berechnet werden. Damit lassen sich die Trajektorien der Strahlpakete im statischen Feld der Sektormagnete, unter Berücksichtigung der Raumladungskräfte und des strahlangeregten elektromagnetischen Feldes, bestimmen. Die quantitative Genauigkeit des Modells ist allerdings noch beschränkt. Einerseits, weil die Geometrie der simulierten Hochfrequenzstruktur stark vereinfacht werden muss, da sonst die Grenzen der verfügbaren Computer-Ressourcen gesprengt werden. Andererseits, weil stark absorbierende Oberflächen noch nicht genau genug simuliert werden können. Simulationsresultate bestätigen, dass bis zu dem heute routinemässig beschleunigten Strahlstrom von ca. 2mA nur kleine Deformationen der Ladungsverteilung durch die angeregten Felder festzustellen sind. Mit dieser Arbeit wird ein Simulationswerkzeug zur Verfügung gestellt, welches für weitergehende Studien zur Leistungserhöhung von Hochstromzyklotronen verwendet werden kann.