The stabilizing influence of radiofrequency phase modulation counteracting coupled-bunch instabilities
Creators: name: Sommer, Malte
Publisher: name: Technische Universität Dortmund
Year: 2019
Subjects: subject: Beschleunigerphysik
subject: Teilchendynamik
subject: HF-Phasenmodulation
subject: Gekoppelte Strahlinstabilitäten
subject: Accelerator physics
subject: Beam dynamics
subject: RF phase modulation
subject: Coupled-bunch instabilities
subject: 530
subject: Elementarteilchenphysik
subject: Synchrotronstrahlung
subject: Phasenmodulation

description: Synchrotron radiation sources have become an essential part of modern science. The ongoing development to reach higher performance levels with improved quality of synchrotron light demands upgrades of current synchrotron radiation facilities or even construction of new accelerators. During this process, new challenges, both technological and in the accelerator physics, need to be addressed to achieve a higher light quality in terms of brightness, coherence, pulse duration, etc. This includes the suppression of coupled-bunch instabilities. These instabilities are based on the interaction of the accelerated particles with the vacuum chamber surrounding them, especially the accelerating cavities. Beam instabilities can significantly lower the beam quality or even result in particle loss. The development of digital bunch-by-bunch feedback systems in the 1990's made detailed analysis of coupled-bunch instability eigenmodes possible, replacing the former approaches to counteract coupled-bunch instabilities like analog feedback systems or radiofrequency (RF) phase modulation. Since the coupled-bunch effects increase in upcoming storage rings due to, e.g., higher beam currents and smaller vacuum chambers, the suppression of instabilities is once again in the focus of current accelerator research. The scope of this thesis is to use a digital bunch-by-bunch feedback system to analyze and quantify the suppression of longitudinal coupled-bunch instabilities by RF phase modulation. Both options are available at DELTA, a 1.5 GeV electron storage ring operated by the TU Dortmund University.For this purpose, a numerical tracking code was developed. It is capable of analyzing coupled-bunch instabilities in the presence of a modulated RF phase. The numerical results show that the instability growth rates decrease quadratically with the modulation amplitude. In addition, a new method was established to measure the growth and damping rates of coupled-bunch instability modes in the presence of RF phase modulation. The results also show a quadratic dependence on the modulation amplitude. Based on the knowledge and experienced gained throughout this work, studies were performed in order to improve the user operation of the DELTA storage ring. An investigation of the injection process at DELTA showed that the injection efficiency can be increased with the bunch-by-bunch feedback system. In addition, a beam-stability map was created by sweeping the parameters of the RF phase modulation system and the optimal parameters for user operation were found. Thereupon, two new easy-to-use tools were added to the DELTA control system which help to utilize the bunch-by-bunch feedback system during user operation.
description: Heutzutage sind Synchrotronstrahlungsquellen ein wichtiges Element der modernen Forschung. Die kontinuierliche Weiterentwicklung zur Erzeugung höherer Lichtqualität, erfordert die Erweiterung bestehender Strahlungsquellen bzw. den Bau neuer Anlagen. Durch die laufend steigenden Anforderungen der Nutzer von Synchrotronstrahlung in Bezug auf Brillanz, Kohärenz, Pulsdauer etc., müssen stetig neue technische und physikalische Herausforderungen bewältigt werden. Im Besonderen gilt dies auch für kollektive Schwingungen der Teilchenpakete. Diese Instabilitäten basieren auf der Wechselwirkung der beschleunigten Teilchenpakete mit der sie umgebenden Vakuumkammer, insbesondere den zur Beschleunigung verwendeten Hochfrequenz(HF)-Resonatoren. Diese Effekte können die Strahlqualität beeinträchtigen oder sogar zum Strahlverlust führen. Mit der Entwicklung von so genannten ``bunch-by-bunch''-Rückkoppelsystemen in den 1990er Jahren, ist es möglich geworden, kollektive Schwingungsmoden im Detail zu untersuchen und ihnen entgegenzuwirken. Dadurch wurden die bis dahin verwendeten Systeme wie z.B. analoge Rückkoppelsysteme oder HF-Phasenmodulation, größtenteils von digitalen ``bunch-by-bunch''-Rückkoppelsystemen abgelöst. Da die Anregung von Strahlinstabilitäten mit der Entwicklung neuer Beschleunigermodelle kontinuierlich steigt, z.B. aufgrund höherer Strahlströme und kleinerer Vakuumkammern, ist die Dämpfung dieser Effekte weiterhin ein wichtiger Bestandteil der aktuellen Beschleunigerforschung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Effekt von der Phasenmodulation der beschleunigenden HF-Spannung auf die Strahldynamik untersucht. Dazu wurde ein ``bunch-by-bunch''-Rückkoppelsystem verwendet, um die auftretenden Strahlinstabilitäten in Abhängigkeit der Einstellparameter des Phasenmodulationssystems zu analysieren. An DELTA, einem 1,5 GeV-Elektronenspeicherring, der von der TU Dortmund betrieben wird, stehen beide Optionen zur Verfügung. Zu diesem Zweck wurde ein numerisches Programm entwickelt, das kollektive Schwingungen der Teilchenpakete unter Einfluss einer phasenmodulierten HF-Spannung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anwachsraten der Instabilitäten eine quadratische Abhängigkeit zur Amplitude der Phasenmodulation haben. Zusätzlich wurde eine neue Messmethode entwickelt mit der die Anwachsraten der Strahlinstabilitäten unter Einfluss der Phasenmodulation untersucht werden können. Die experimentellen Ergebnisse zeigen ebenfalls eine quadratische Abhängigkeit. Anschließend wurden weitere Studien durchgeführt, um den Nutzerbetrieb an DELTA zu verbessern. Es wurde gezeigt, dass die Injektionseffizienz mit dem ``bunch-by-bunch''-Rückkoppelsystem erhöht werden kann. Das ermöglichte die Erstellung einer Stabilitätskarte des Strahls, indem die Parameter der Phasenmodulation durchgefahren wurden, sodass optimale Parametersätze definiert werden konnten. Daraufhin wurden zwei neue benutzerfreundliche Applikationen zum DELTA-Kontrollsystem hinzugefügt, um das ``bunch-by-bunch''-Rückkoppelsystem im Nutzerbetrieb nutzbar zu machen.