Manipulação da densidade eletrônica no espaço de fase longitudinal em fontes de luz síncrotron
Natalia Prado de Abreu
TESE
Português
(Broch.)
T/UNICAMP Ab86m
[Longitudinal phase space density manipulation in synchrotron light sources]
Campinas, SP : [s.n.], 2007.
168 p. : il.
Orientador: Pedro Fernandes Tavares
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin
Resumo: Esta tese investiga a dinâmica longitudinal não-linear do feixe de elétrons de alta intensidade circulante no anel de armazenamento do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS). Em particular, analisamos os efeitos sobre os modos de oscilação coerentes instáveis e sobre as...
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Resumo: Esta tese investiga a dinâmica longitudinal não-linear do feixe de elétrons de alta intensidade circulante no anel de armazenamento do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS). Em particular, analisamos os efeitos sobre os modos de oscilação coerentes instáveis e sobre as características de equilíbrio dos pacotes de elétrons decorrentes da manipulação da distribuição de densidade eletrônica no espaço de fase longitudinal, realizada por meio de dois mecanismos distintos: a modulação em fase dos campos estacionários aceleradores e o uso de cavidades harmônicas. Determinamos a viabilidade do uso de cada uma das técnicas estudadas visando melhorar as propriedades do feixe dadas as características específicas e parâmetros do anel de armazenamento Brasileiro. Observamos que a modulação em fase é um método capaz de amortecer modos de oscilação de pacotes acoplados (coupled bunch modes) do feixe de elétrons e apresentamos evidências teóricas e experimentais de que o mecanismo físico responsável por este amortecimento é o aumento da dispersão das frequências de oscilação incoerente dos elétrons dentro dos pacotes, efeito chamado de amortecimento Landau. Observamos também um aumento no tempo de vida do feixe de elétrons devido µa diluição da densidade eletrônica, o que diminui a probabilidade de espalhamento elétron-elétron dentro dos pacotes, reduzindo assim a contribuição Touschek para a taxa de perda de elétrons. Atualmente a modulação em fase é utilizada rotineiramente em turno de usuários no anel de armazenamento do LNLS. Uma análise teórica assim como simulações da ação de cavidades harmônicas passivas no anel do LNLS mostram que efeitos semelhantes são observados, no que se refere µa estabilização de oscilações do feixe e ao aumento do tempo de vida, através dos mesmos mecanismos físicos presentes ao modularmos a fase dos campos de radiofrequência (RF). Há no entanto diferenças importantes nas características dos dois métodos: apesar da efficiência de operação dessas cavidades depender fortemente da corrente total armazenada, a distribuição natural de energias do feixe de elétron não é modificada, diferentemente do que ocorre quando usamos a modulação em fase; o aumento do tempo de vida em ambos os casos é muito parecido (da ordem de 30%) mas a cavidade harmônica, para determinados parâmetros de operação do anel de armazenamento, poder tornar o amortecimento de modos de oscilação de pacotes acoplados 16 vezes maior, enquanto que a modulação em fase aumenta o amortecimento por um fator 1.5
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Abstract: This work investigates the nonlinear longitudinal dynamics of an intense electron beam at the Brazilian Synchrotron Light Source (LNLS electron storage ring). Our main interest lies in the effects of the longitudinal electron density manipulation (by means of RF phase modulation or through...
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Abstract: This work investigates the nonlinear longitudinal dynamics of an intense electron beam at the Brazilian Synchrotron Light Source (LNLS electron storage ring). Our main interest lies in the effects of the longitudinal electron density manipulation (by means of RF phase modulation or through the use of harmonic cavities) on the beam Touschek lifetime, coupled bunch instabilities and the steady state characteristics of the circulating bunches. We also determine the viability of each technique and optimize their results given the specific needs and parameters of the Brazilian storage ring. We show that phase modulation is efficient in damping coupled bunch instabilities of the circulating electron beam and present theoretical and experimental evidences that an increased spread of the electrons incoherent frequency inside the bunches is the physical mechanism responsible for this damping, also called Landau damping. We show, as well, an increase in the overall beam lifetime due to the dilution of the particle density inside the bunches, which decreases the probability of electron-electron scattering thus reducing the Touschek contribution to the electron loss rate. Since 2004, phase modulation has been used routinely during users shifts at the LNLS storage ring. The effects of the presence a set of passive harmonic cavities were studied theoretically and using a simulation program. Similar effects, related to the damping of instabilities and increasing in lifetime, are also obtained when using passive harmonic cavities by the same physical mechanisms observed when using phase modulation. There are, however, some important differences between the two methods (harmonics cavities and phase modulation): even though the optimum conditions for operation of these cavities varies strongly with the stored current, this devices does not modify the natural energy distribution of the electron beam as observed when using phase modulation. Also, the increase in lifetime using both methods is similar (around 30%), but harmonics cavities can enhance the damping of coupled bunch modes by a factor of 16 while phase modulation provides an increase in damping by a factor 1.5
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Tavares, Pedro Fernandes, 1963-
Orientador
Parker, Renato
Avaliador
Galvão, Ricardo Magnus Osório
Avaliador
Castro, Antonio Rubens Britto de, 1940-
Avaliador
Manipulação da densidade eletrônica no espaço de fase longitudinal em fontes de luz síncrotron
Natalia Prado de Abreu
Manipulação da densidade eletrônica no espaço de fase longitudinal em fontes de luz síncrotron
Natalia Prado de Abreu
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