Beam halo collimation and induced wakefield studies for future linear colliders: the atf2 case
- Autores: Nuria Fuster Martinez
- Directores de la Tesis: Angeles Faus Golfe (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de València ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Nobuhiro Terunuma (presid.), Philip Bambade (secret.), Nicholas Walker (voc.)
- Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Física
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
Pérdidas de partículas del haz en zonas no deseadas puede limitar el funcionamiento y los experimentos en los aceleradores. Con el fin de controlar y reducir el halo de partículas y las pérdidas en zonas no deseada a lo largo del acelerador, se necesitan los sistemas de colimación de halo. El diseño de dichos sistemas es un complejo equilibrio entre la eficiencia requerida y los wakefields inducidos que pueden comprometer la luminosidad del haz y la estabilidad. En este contexto, en la primera parte de esta tesis hemos realizado un estudio de diseño de viabilidad, construcción, instalación, puesta en marcha y experimentos de un sistema de colimación vertical para ATF2 con el objetivo principal de reducir los fotones de fondo en el Post-IP. En la segunda parte de la tesis hemos utilizado el sistema de colimación vertical de ATF2 para realizar un estudio detallado de los wakefields inducidos por tal sistema en el contexto de estudios de wakefields para ATF2 y FLCs. Hemos realizado un estudio sistemático de comparación del wakefield kick entre cálculos analíticos, simulaciones numéricas y medidas.
En cuanto al tema de colimación de halo, mediante simulaciones de tracking llegamos a la conclusión de que el sistema más eficiente para reducir las pérdidas en el BDUMP es un sistema de colimación betatrónico vertical. Por lo que el resto de la tesis se centro en desarrollar dicho sistema. Se utilizó el código de tracking MADX-PTC y BDSIM para estudiar la eficiencia del sistema de colimación vertical. Si bien a partir de simulaciones con MADX-PTC concluimos que la apertura necesaria era de 5 mm para evitar pérdidas en la entrada del BDUMP, los resultado de las simulaciones más realistas con BDSIM mostraron que necesitamos cerrar el colimador hasta 4 mm . Con BDSIM también calculamos la reducción de los fotones de fondo en el Post-IP en función de la apertura del sistema de colimación vertical para luego compararla con las medidas experimentales. El sistema de colimación vertical fue construido y probado en laboratorio del LAL e instalado en ATF2 en Marzo del 2016. Después de algunas pruebas de funcionalidad y calibración realizadas en marzo de 2016 se llevó a cabo un programa experimental por el autor de esta tesis para medir la eficiencia del sistema de colimación. La eficiencia del sistema de colimación vertical fue demostrada. Además, las medidas son consistentes con las simulaciones de BDSIM. También se comparó la eficiencia del sistema de colimación vertical con la de la TBP. La TBP se utilizaba como una especie de sistema de colimación pero limitado a una profundidad máxima de colimación de 18 σy para un haz que pasa por el centro de este dispositivo. Para lograr el mismo impacto, el sistema de colimación vertical tiene que estar cerrado a una media apertura de entre 5-6 mm correspondiente a 15-18 σy. Una profundidad de colimación simétrica menor que 18 σy sólo es posible con el sistema de colimación vertical}. En febrero de 2017, con el fin de realizar nuevos experimentos de wakefields una cavidad radiofrecuencia (RF) se colocó en lugar de la TBP y el sistema de colimación vertical es ahora utilizado como el principal sistema de colimación.
El otro tema principal de la tesis consiste en un estudio detallado y sistemático de los wakefields inducidos por el sistema de colimación vertical}. La geometría y el material de las jaws se ha optimizado para reducir los wakefields inducidos por el sistema. Se realizó un estudio detallado de como reducir el impacto de los wakefields y los parámetros resultantes son los siguientes: una parte plana central de 100 mm de cobre, con un ángulo de 3º y un apertura variable entre 3 y 12 mm. Para estas especificaciones, el impacto de los wakefields del sistema de colimación vertical es un factor 2 mayor que el de la TBP (con un bajo impacto de wakefields) y un factor 4 inferior al de la cavidad de referencia (con un alto impacto de wakefields). Estas especificaciones fueron dadas al ingeniero del LAL como el punto de partida para la realización del diseño mecánico del sistema.
El impacto de los wakefields en la dinámica del haz} se ha estudiado utilizando el \ código de seguimiento PLACET}. Se encontraron algunas discrepancias entre los resultados obtenidos con PLACET (v1.0.0) y la propagación lineal del wakefield kick calculado numéricamente con CST PS en un orden de magnitud. El motivo de las discrepancias se estudió con detalle y se encontró que la fuente de las discrepancias estaba en la definición de los límites del cálculo analítico relevantes para el caso ATF2. El problema fue resuelto y el programa ha sido modificado en consecuencia en una nueva versión PLACET (v1.0.1) versión utilizada para continuar con los estudios de ATF2.
Estos estudios analíticos y numéricos fueron completados con un programa experimental llevado a cabo durante 2016 con el objetivo principal de medir el impacto de los wakefields inducidos por el sistema de colimación vertical en la órbita. Estas medidas se realizaron con el objetivo principal de investigar el modo de operación óptimo del sistema de colimación vertical instalado en ATF2 en términos de eficiencia y wakefield y realizar un estudio sistemático de comparación entre cálculos analíticos, simulaciones numéricas y medidas. Estos estudios son cruciales para el futuro diseño del sistema de colimación del FLC porque existen discrepancias en el wakefield kick descrito en los distintos modelos anala\'iticos}, en los modelos implementados en los códigos de tracking y entre simulaciones y medidas experimentales (ESA (SLAC) 2001-2007). Además, existen diferentes modelos analíticos (inductivos, intermedios, difractivos) dependiendo de la geometría del colimador y del haz y cuando los par\'metros del problema están cerca de los límites los cálculos no son precisos}. En mis estudios realicé un estudio de comparación sistemático incluyendo simulaciones numéricas con CST PS y medidas. Además, los modelos analíticos solo describen las jaws y en nuestro estudio, las simulaciones numéricas y las medidas se han realizado para la estructura completa. Concluimos que las medidas experimentales están de acuerdo con las simulaciones numéricas} con el error experimental asociado. La diferencia entre las medidas y el cálculo analítico que tiene en cuenta solo la parte central del sistema, es de aproximadamente un 20 %. Además, observamos una diferencia entre simular solo la parte central y todo el sistema de colimación vertical de aproximadamente un 15-30 %.
