Numerical models and interplay of intrabeam scattering with incoherent effects for high brightness circular accelerators

Abstract

Circular accelerators require high beam brightness, often limited by collective effects like space charge (SC) and intrabeam scattering (IBS), which degrade beam quality even with synchrotron radiation (SR) damping. To optimize performance, it is crucial to study SC, IBS, and SR effects in simulations, including lattice nonlinearities. To this end, numerical models for simulating IBS in rings operating both below and above transition, along with a simple model for SR damping, have been implemented in the PyORBIT tracking code, complementing its existing SC module. These models were validated against analytical predictions, showing excellent agreement. This thesis explores the interplay of SC, IBS, and SR in two types of machines: the Compact Linear Collider (CLIC) damping rings (DRs) using electrons, and CERN’s ion injectors, specifically the Super Proton Synchrotron (SPS) and Low Energy Ion Ring (LEIR) with lead ions. In the CLIC DRs, SC, IBS, and SR effects near betatron resonances were evaluated. SR damping was found to reduce adverse IBS and SC impacts on beam parameters. Dynamic simulations of the CLIC DR cycle highlight that selecting the optimal working point is critical to manage the transition from lattice-driven to space-charge-driven detuning, preventing losses and emittance growth near resonances. In LEIR and SPS, experimental beam behavior could not be fully captured by SC or IBS simulations alone. To resolve this, combined SC and IBS simulations were performed for LEIR under controlled resonance, aligning well with machine measurements. Similarly, for the first time, combined simulations successfully explained SPS beam observations. These findings underscore the importance of a combined approach for accurately modeling beam dynamics in high-performance accelerators.

Οι κυκλικοί επιταχυντές απαιτούν δέσμες υψηλής φωτεινότητας, η οποία περιορίζεται από συλλογικά φαινόμενα όπως το χωρικό φορτίο και οι ενδοδεσμικές σκεδάσεις, που μπορούν να υποβαθμίσουν την ποιότητα της δέσμης. Για τη βελτίωση της απόδοσης σε τέτοιους δακτυλίους, είναι απαραίτητο να μελετηθεί η αλληλεπίδραση αυτών των φαινομένων μέσω προσομοιώσεων μακροσωματιδίων, συμπεριλαμβάνοντας και τις μη γραμμικότητες του πλέγματος του επιταχυντή. Προς αυτόν τον σκοπό, αναπτύχθηκαν μοντέλα στον κώδικα PyORBIT για τις ενδοδεσμικές σκεδάσεις και την ακτινοβολία σύγχροτρου, τα οποία επιβεβαιώθηκαν με βάση αναλυτικές προβλέψεις. Η διατριβή αυτή εξετάζει την αλληλεπίδραση των σχετικών φαινομένων σε δύο είδη δακτυλίων: τους τους Αποσβετικούς Δακτυλίους του Συμπαγούς Γραμμικού Συγκρουστήρα (CLIC DRs) που χρησιμοποιούν ηλεκτρόνια, και τους επιταχυντές ιόντων του CERN (SPS και LEIR) που λειτουργούν με ιόντα μολύβδου. Στα CLIC DRs, αναλύεται η επίδραση του χωρικού φορτίου, των ενδοδεσμικών σκεδάσεων και της ακτινοβολίας σύγχροτρου σε διεγερμένους συντονισμούς, καταλήγοντας στο ότι η ακτινοβολία βοηθά στη μείωση των αρνητικών επιδράσεων των σκεδάσεων. Προσομοιώσεις έδειξαν ότι η επιλογή του σημείου λειτουργίας είναι κρίσιμη για την αποφυγή υπερβολικών απωλειών και αύξησης της εκπεμπτικότητας. Στον LEIR και στον SPS, πειραματικές παρατηρήσεις δεν μπορούσαν να εξηγηθούν πλήρως με προσομοιώσεις που περιλάμβαναν μόνο το χωρικό φορτίο ή τις ενδοδεσμικές σκεδάσεις. Συνδυαστικές προσομοιώσεις για τον LEIR κοντά σε διεγερμένο συντονισμό και τον SPS προσέφεραν συμφωνία με τις μετρήσεις, εξηγώντας επιτυχώς για πρώτη φορά τις παρατηρήσεις δέσμης. Αυτά τα ευρήματα υπογραμμίζουν τη σημασία μιας συνδυασμένης προσέγγισης για την ακριβή μοντελοποίηση της δυναμικής της δέσμης σε επιταχυντές υψηλών επιδόσεων.