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ZBASE3 : la nouvelle base de données de l’impédance des accélérateurs du CERN

MEDINA Hubert

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Plan

1) Rappel : Physique de l’impédance des accélérateurs

2) Présentation de la nouvelle base de données ZBASE3

3) Résultats obtenus par ZBASE3

4) Résultats obtenus par HEADTAIL

5) Résultats obtenus par MOSES

6) Perspectives

Dans un accélérateur, une particule chargée est soumise à la force de Lorentz :

- Cavités radiofréquences : accélération

- Dipôles : courbure (trajectoire circulaire)

- Quadripôles : focalisation autour de la trajectoire circulaire

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Physique de la dynamique de faisceau dans un accélérateur

paroi de la chambre à vide

courant induit

Single-particle trajectory

Circular design orbitOne particle

In the middle of the vacuum chamber

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en fonction de la fréquenceImpédance :

Wakefield ou Impédance

Reliés par la transformée de Fourier

Comme les caractéristiques d’un matériau dépendent en général de la fréquence on traite souvent ce problème dans le domaine des fréquences => Impédance

en fonction du tempsWakefield :

paroi de la chambre à vide

Champ de sillage ou wakefield

courant induit

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L’augmentation de l’impédance dans les accélérateurs est liée :- aux matériaux peu conducteurs- aux changements brusques de géométrie

Dans le LHC et son injecteur le SPS, une grande partie de l’impédance provient des :

Impédance dans les accélérateurs du CERN

- 44 collimateurs du LHC : blocs de graphite utilisés pour la protection des aimants supraconducteurs du LHC

- 20 kickers du SPS (en 2006) : des kickers (MKE), aimants permettant l’extraction du faisceau de protons entre le SPS et le LHC, ont été récemment installés

ZBASE : base de données de l’impédance

- Créée par Oliver S. Brüning- Ecrite en Tcl/Tk- Appliquée au LEP et débutée pour le LHC

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ZBASE3 : nouvelle base de données de l’impédance

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Les 6 options de ZBASE3 sont :- NewData : créer de nouveaux répertoires, enregistrer ou effacer des fichiers - Impedance : calcul de l’impédance (de paroi résistive pour l’instant uniquement)

- ImpedToWake : conversion de l’impédance en wakefield- WakeToImped : conversion du wakefield en impédance- Sum : sommation des impédances ou des wakefields- ViewData : visualisation des tables de valeurs ou des courbes

Organigramme de la base de données ZBASE3

Machines : - LHCinj - LHCtop - SPS…

Years : 2006, 2007, …….

Groups : - collimator - kicker

DataMachine :Datamachine.dat

AllTheMachine

Items : - collimator 1, - collimator 2, ….

Input :collimator1.input.dat

Output

X

Impedance :- data- plot

Wakefield :- data- plot

Impedance :- data- plot

Impedance :- data- plot

Impedance :- data- plot

Wakefield :- data- plot

Wakefield :- data- plot

Wakefield :- data- plot

ZY

Légendes : : répertoires : liens

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Création de nouveaux répertoires dans ZBASE3

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Pour créer de nouveaux répertoires l’utilisateur doit :- cliquer sur Create New Item

Dans la fenêtre Modifying the DataBase l’utilisateur doit entrer :

- le nom de la machine- l’année- le groupe auquel appartient le nouvel élément- le nom l’élément

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Machines :LHCtop

Years : 2006

Groups: collimatorDataMachine AllTheMachine

Items : TCDQA.4R2.B1Input

Output

X

Impedance Wakefield

Impedance

Impedance Impedance

Wakefield

Wakefield Wakefield

ZY

Légendes : : répertoires : liens

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Entrer des nouveaux éléments dans ZBASE3

Pour entrer de nouveaux éléments dans ZBASE3 l’utilisateur doit :

- cliquer sur Change Item Data

La fenêtre Changing the Entries of an Item apparaît permettant à l’utilisateur de:

- entrer le fichier datamachine.dat contenant des caractéristiques de la machine

- entrer les fichiers inputs contenant les caractéristiques d’un élément

- entrer les fichiers outputs (table de valeurs ou plot)- entrer des fichiers de sommation (impédance ou wakefield)- effacer un élément de la base de données

Calcul de l’impédance par ZBASE3

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Pour calculer l’impédance l’utilisateur doit :- sélectionner les données de la machine- sélectionner les données d’un élément (collimateurs ou kickers pour l’instant)- lancer le calcul de l’impédance :

- interactive : le calcul se fait en local- batch : le calcul se fait sur un serveur dédié aux simulations

Calcul de l’impédance par ZBASE3

Les fichiers sélectionnés par l’utilisateur sont lus par un fichier Mathematica permettant le calcul de l’impédance

Les résultats obtenus par ZBASE3 :

Une table de valeurs de l’impédance Un plot de l’impédance

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Re [Zy]

Im [Zy]

exemple du kicker MKE.41631

Re [Zy]

Im [Zy]

exemple du collimateur TCDQA.4R6.B1

Conversion de l’impédance en wakefield par ZBASE3

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Pour convertir l’impédance en wakefield l’utilisateur doit :

- sélectionner un fichier de table de valeurs de l’impédance d’un élément

- lancer la conversion de l’impédance en wakefield:

- interactive - batch

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Les résultats obtenus sont :

Une table de valeurs du wakefield Un plot du wakefield

Conversion de l’impédance en wakefield par ZBASE3

exemple du kicker MKE.41631

- copier les éléments dans la liste en fonction du plan : - transversal : X, Y- longitudinal : Z

Sommation de l’impédance ou du wakefield par ZBASE3

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Pour faire la sommation des impédances ou des wakefields l’utilisateur doit :

- créer une liste pour copier l’impédance ou le wakefield des éléments à sommer- faire apparaître la liste des éléments sélectionnés

- lancer le calcul de la sommation en :- interactive- batch

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Sommation de l’impédance ou du wakefield par ZBASE3

Les résultats obtenus sont :

Im [Zx]

Re [Zx]

Im [Zy]

Re [Zx] - Im [Zy]

Impédance totale horizontale des 44 collimateurs du LHC à l’énergie

de collision en 2006

Impédance totale verticale des 20 kickers du SPS en 2006

Visualisation d’un élément dans la base de données ZBASE3

Pour visionner un fichier de la base de données, l’utilisateur doit :

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- cliquer sur ViewDatabase pour visualiser les fichiers enregistrés dans la base de données (table de valeurs ou courbe)

- cliquer sur ViewOutputfile pour visualiser les fichiers outputs générés par Mathematica non enregistrés dans la base de données

Eléments enregistrés dans la base de données ZBASE3

L’impédance transversale (X et Y) a été calculée pour :- les 44 collimateurs du LHC à l’énergie d’injection en 2006- les 44 collimateurs du LHC à l’énergie de collision en 2006- la somme de tous les collimateurs à l’énergie d’injection et de collision

- Problème rencontré dans la conversion de l’impédance en wakefield pour les collimateurs du LHC => Forme très piquée de l’impédance à basses fréquences- Une solution est en cours d’investigation

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L’impédance et le wakefield vertical a été calculé pour :- les 11 kickers du SPS en 2001- les 20 kickers du SPS en 2006- les 19 kickers du SPS en 2007- la somme de tous les kickers en 2001 et 2006

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HEADTAIL : Simulation de l’instabilité verticale de paquet unique du SPS à l’injection

Calcul de l’impédance totale des 20 kickers du SPS en 2006

plot du wakefield total

table de valeurs du wakefield total

Conversion de l’impédance totale des 20 kickers du SPS en 2006 en wakefield total

Table de valeurs utilisée par HEADTAIL(G. Rumolo a modifié son programme pour pouvoir lire des tables de valeurs)

Le seuil d’instabilité (appelée « Tranverse Mode Coupling Instability ») du paquet de particules est :

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HEADTAIL : Simulation de l’instabilité verticale de paquet unique du SPS à l’injection

eV.s2.0l

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Wakefield totale des 20 kickers du SPS en 2006

Fit du wakefield avec un résonateur (formule analytique)

.

le seuil d’instabilité obtenu par MOSES est (en très bon accord avec HEADTAIL) :

MOSES : Calcul analytique de l’instabilité de paquet unique

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Conclusions

- Les seuils d’instabilités obtenus par HEADTAIL et MOSES sont en très bon accord : ~ 1,1.1011 p/b

- Des mesures effectuées au SPS dans le passé ont révélé un seuil d’instabilité à ~ 0,6.1011 p/b

=> L’impédance des kickers semble contribuer pour ~ 50% de l’impédance totale du SPS responsable de cette instabilité

=> Le fait que l’impédance totale des kickers (en 2006) contribue pour ~ 50% de l’impédance totale du SPS est en bon accord avec d’autres estimations/mesures

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Le futur de ZBASE3

Dans le futur, sera relié a ZBASE3 :

- HEADTAIL : programme de simulation d’instabilités de paquet unique

- MTRISIM : programme de simulation d’instabilités de paquets couplés

- Le calcul de l’impédance longitudinale

- La conversion de l’impédance en wakefield (quelque soit l’impédance)

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Remerciements

- Elias METRAL

- Oliver S. BRUNING

- Giovanni RUMOLO

- John JOWETT

- Benoît SALVANT