Simulation der Wechselwirkung zwischen einem positiv geladenen Teilchenstrahl und Elektronenwolken

• Antragstellerin: Professorin Dr. Ursula van Rienen
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 118723236

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der inkohärente (Head-Tail) Effekt auf den Bunch, der durch die Wechselwirkung mit Elektronenwolken (engl. e-clouds) hervorgerufen wird, führt zu einer Vergrößerung der transversalen Strahlgröße in Speicherringen, die mit positiv geladenem Strahl betrieben werden. Effekte durch Elektronenwolken gelten als der bedeutendste limitierende Faktor für den Betrieb zukünftiger Maschinen mit hohen Strömen, großer Brillanz oder hoher Luminosität. Deshalb ist die Simulation von Elektronenwolkenphänomenen ein sehr aktiver Bereich der aktuellen Forschung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag in der Entwicklung eines Werkzeugs zur Simulation der Wechselwirkung relativistischer Teilchenbündel mit nicht-relativistischen, geladenen parasitären Teilchen. Als Ergebnis liegt das Particle-In-Cell-Programm MOEVE PIC Tracking vor, das prinzipiell einen 3D-Bunch unter dem Einfluss von eigenen und externen elektromagnetischen Feldern verfolgen kann. Insbesondere simuliert es die Wechselwirkung relativistischer, positiv geladener Bunche mit zunächst statischen Elektronen. In MOEVE PIC Tracking wird das leitende Strahlrohr mit beliebigem elliptischen Querschnitt modelliert, um genauere Raumladungsfeldberechnungen sowohl für den Bunch als auch für die Elektronenwolke zu erreichen. Die Simulation der Wechselwirkung zwischen Elektronenwolken und Positronen-Bunchen in dieser Arbeit ermöglichte einen detaillierten Einblick in das Verhalten beider Teilchenspezies während und nach der Wechselwirkung. Ein weiteres und ultimatives Ziel dieser Arbeit war eine schnelle Abschätzung der Strahlstabilität unter dem Einfluss von Elektronenwolken im Speicherring. Der Standardansatz, um die Stabilität eines einzelnen Bunches zu simulieren, liegt darin, die Teilchen- Bunche durch die lineare Optik der Maschine zu verfolgen. Dazu wird der 6D-Vektor jedes Teilchens mit den Transformationsmatrizen, die das sog. Lattice beschreiben, multipliziert. Die Wirkung der Elektronenwolke auf den Bunch wird hierbei durch einen vorberechneten Wake-Kick approximiert, der dann an einem oder mehreren Punkten im Lattice angewendet wird. Einer Idee von K. Ohmi folgend, wurde der Wake-Kick als 2D-Wake-Funktion desjenigen Bunch-Teils, der die Elektronenwolke anregt, und der nachfolgenden Teile des Bunches, die einen transversalen Kick von der Elektronenwolke erhalten, vorberechnet. Eine Reihe von detaillierten Wechselwirkungssimulationen mittels MOEVE PIC Tracking resultierten in der vorberechneten Wake-Matrix für den gegebenen Bunch und die gegebenen Elektronenwolkenparameter, die anschließend beim Tracking durch die lineare Optik des Speicherrings angewendet wurde. Die Ergebnisse der Simulationen für die zwei Speicherringe KEKB-LER und PETRA III zeigen, dass das neu entwickelte Verfahren für eine schnelle Abschätzung von Elektronenwolkeneffekten auf den Strahl für alle aktuellen und zukünftigen Speicherringe mit positiv geladenen Bunchen angewendet werden kann.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Simulation of the single bunch instability due to the electron cloud effect by tracking with a pre-computed 2D wake matrix. In Proceedings of IPAC 2011 (2nd International Particle Accelerator Conference ), San Sebastian, Spain, pages 2247 – 2249, 2011
  A. Markovik, G. Pöplau, and U. van Rienen
  
• Computation of the 2D Transverse Wake Function of an Electron Cloud for Different Parameters. In Proceedings of IPAC 2012 (3rd International Particle Accelerator Conference), New Orleans, USA, pages 280 – 282, 2012
  A. Markovik, G. Pöplau, and U. van Rienen
  
• Tracking of a PETRA III Positron Bunch with a Pre-Computed Wake Matrix due to Electron Clouds. In Proceedings of ICAP 2012 (Proceedings of the 11th International Computational Accelerator Physics Conference), Warnemünde, Germany, pages 31–33, 2012
  A. Markovik and U. van Rienen
  
• Simulation of the interaction of positively charged beams and electron clouds. Dissertation an der Universität Rostock, Fakultät für Informatik und Elektrotechnik, 2013. Universitätsbibliothek Rostock
  A. Markovik
  
• Study of a Fast Convolution Method for Solving the Space Charge Fields of Charged Particle Bunches. In Proceedings of IPAC 2014 (Proceedings of the 5th International Particle Accelerator Conference), Dresden, Germany, pages 418–421, 2014
  D. Zheng, A. Markovik, G. Pöplau and U. van Rienen