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11/04/23 MEDINA Hubert 1
ZBASE3 : la nouvelle base de données de l’impédance des accélérateurs du CERN
MEDINA Hubert
11/04/23 MEDINA Hubert 2
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
3MEDINA Hubert11/04/23
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
4MEDINA Hubert11/04/23
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
5MEDINA Hubert11/04/23
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
6MEDINA Hubert11/04/23
ZBASE3 : nouvelle base de données de l’impédance
7MEDINA Hubert11/04/23
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
8MEDINA Hubert11/04/23
Création de nouveaux répertoires dans ZBASE3
9MEDINA Hubert11/04/23
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
11/04/23 MEDINA Hubert 10
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
11/04/23 MEDINA Hubert 11
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
12MEDINA Hubert11/04/23
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
13MEDINA Hubert11/04/23
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
14MEDINA Hubert11/04/23
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
11/04/23 MEDINA Hubert 15
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
16MEDINA Hubert11/04/23
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
11/04/23 MEDINA Hubert 17
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 :
18MEDINA Hubert11/04/23
- 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
19MEDINA Hubert11/04/23
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
11/04/23 MEDINA Hubert 20
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 :
21MEDINA Hubert11/04/23
HEADTAIL : Simulation de l’instabilité verticale de paquet unique du SPS à l’injection
eV.s2.0l
22MEDINA Hubert11/04/23
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
11/04/23 MEDINA Hubert 23
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
11/04/23 MEDINA Hubert 24
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)
11/04/23 MEDINA Hubert 25
Remerciements
- Elias METRAL
- Oliver S. BRUNING
- Giovanni RUMOLO
- John JOWETT
- Benoît SALVANT