[論文レビュー] Design and Performance Simulations of the Bunch Compressor for the APS LEUTL FEL

M. Borland|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2000

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、APS LEUTL自由電子レーザー用の磁気バッチコンプレッサのシミュレーションベースの設計および性能最適化を提示している。elegantコードを用いて、コherentなシンクロトロン放射（CSR）およびウェイクフィールドを含む、縦方向および横方向のビームダイナミクスをモデル化した。研究では、ピーク電流600 Aに達する安定した構成が得られ、正規化エミッタンスの増大は5から6.8 μmにまで制限された。許容誤差およびジャイタシミュレーションにより、現実的な誤差予算下での運用可能性が確認された。

ABSTRACT

A magnetic bunch compressor has been designed and is being commissioned for the APS linac to provide higher peak current for the LEUTL FEL. Of primary concern is control of emittance growth due to coherent synchrotron radiation (CSR). In addition, tolerances must be carefully evaluated in order to choose the most stable operating conditions and ensure that the system can meet operational goals. The computer code ELEGANT was used to design the bunch compressor, set tolerances, and simulate likely performance. This 6-D code includes a fast, simple simulation of CSR effects as well as longitudinal and transverse wakefields. It also is believed to be unique in allowing optimization of actual tracking results, such as bunch length, energy spread, and emittance. Automated setup and analysis of matching and tolerance simulations allowed consideration of numerous configurations without excessive effort. This permitted choosing configurations that reduce sensitivity to errors. Simulations indicate that emittance growth should be tolerable for up to 600 A peak current, for which the normalized emittance will increase from 5 to about 6.8 pi-um. The simulations also provide predictions of emittance variation with chicance parameters, which we hope to verify experimentally. * Work supported by the U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences, under Contract No. W-31-109-ENG-38.

研究の動機と目的

• APS LEUTL自由電子レーザーのための高ピーク電流を実現しつつ、コherentなシンクロトロン放射（CSR）によるエミッタンス増大を最小限に抑える磁気バッチコンプレッサの設計を目的とする。
• FEL性能仕様を満たすために、rf位相、電圧、タイミング、電荷などのビームパラメータの許容誤差要件を評価することを目的とする。
• 自動マッチングおよびジャイタシミュレーションを用いて、誤差に対して感受性が低い安定した運用設定を同定することを目的とする。
• ランダム誤差スタディを実施し、シミュレーション予測を検証するとともに、FEL増幅長、軌道、波長安定性の制約と照合する。

提案手法

• 6次元粒子追跡コード elegant を用いて、CSR効果、縦方向および横方向のウェイクフィールド、rfカーブを含むビームダイナミクスをシミュレートした。
• RFCA（マトリックスベースRFキャビティモデル）とセグメント化された四極子素子を用いて、リニアック内のビーム輸送を正確にモデル化した。
• 縦方向および横方向のウェイクフィールドを効率的にモデル化するために、表形式のSLAC構造ウェイク関数を用いたグリーン関数法を適用した。
• SDDSファイルおよびスクリプトを用いて、シミュレーション段階間のデータフローを管理する、自動化された縦方向および横方向のビームマッチングを実施した。
• rf位相、電圧、タイミング、アライメント誤差に対する感度を評価するために、単一パラメータスイープおよびランダムシミュレーションを実施した。
• elegantにおけるXieのパラメータ化を用いてFEL増幅長を計算し、直接的に安定性制約に対する性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CSR効果によるエミッタンス増大を許容可能な範囲に抑える条件下で、バッチコンプレッサで達成可能な最大ピーク電流はどの程度か？
• RQ2 R56およびチカンの非対称性の変動が、300 Aおよび600 Aの電流レベルにおけるエミッタンス増大およびビーム品質にどのように影響するか？
• RQ3 FEL増幅長および波長安定性を維持するために、特に重要な加速器パラメータ（例：rf位相、電圧、タイミング）は何か？
• RQ4 rfジャイタ、タイミングジャイタ、四極子の不整合といった誤差要因が、ビーム軌道およびエミッタンスにどのように影響するか？
• RQ5 緩められた誤差予算（例：1°のrf位相ジャイタ）を想定したランダムシミュレーションは、単一パラメータスイープでは捉えきれない故障モードを予測できるか？

主な発見

• ピーク電流600 Aにおいて、エミッタンス増大は5 μmから6.8 μmにまで制限され、設計目標内での安定した性能を示した。
• 対称的および非対称的チカン構成では、300 Aではエミッタンス増大が類似しているが、600 Aでは10%以上に達する差が生じ、測定可能である。
• |R56|が小さい値では、バッチ先端に高電流スパイクが生じ、CSRウェイクおよびエミッタンス増大が増大する傾向にあり、単調な予想とは反対の結果となった。
• 530 nmにおける1 nmの波長安定性制約が最も厳しいものであり、エネルギー変動を0.1%以内に制限する必要があり、多くの許容誤差要件を規定している。
• 緩められた許容誤差（例：1°のrf位相ジャイタ）を想定したランダムシミュレーションでは、特に非補正された非線形分散のため、垂直方向のエミッタンスおよび軌道ジャイタが顕著に増大した。
• 垂直方向のジャイタは、2つのセクスタプルを追加することで軽減され、従来モデル化されていなかった誤差要因に対する実用的解決策であることが確認された。