STUDIES OF ENERGY RECOVERY LINACS AT ... - CASA

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04.08.2013 Views

3.4.2 Backleg Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.4.3 Energy Recovery Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.5 Longitudinal Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.5.1 Analogy to Transverse Dynamics . . . . . . . . . . . . . . 74 3.5.2 Deriving Proper Momentum Compactions . . . . . . . . . 76 4 Theory and Simulation of Multipass BBU . . . . . . . . . . . 79 4.1 The Pillbox Cavity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.1.1 TMmn0 Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.2 Derivation of the BBU Threshold Current . . . . . . . . . . . . . 83 4.2.1 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.3 BBU Simulation Codes: Particle Tracking . . . . . . . . . . . . . 90 4.3.1 Generic Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.3.2 TDBBU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.3.3 ERLBBU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4 Alternate Derivation of the BBU Threshold Current . . . . . . . . 93 4.5 BBU Simulation Codes: Eigenvalue Solutions . . . . . . . . . . . . 97 4.5.1 MATBBU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.6 Measuring HOM Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.6.1 RF Measurements of the Zone 3 Cryomodule . . . . . . . . 99 4.6.2 Beam-based HOM Polarization Measurements . . . . . . . 101 4.7 Validity of Single Mode Threshold Current Formula . . . . . . . . 106 4.8 Results of BBU Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.8.1 FEL Upgrade Without Zone 3 . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.8.2 FEL Upgrade With Zone 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5 Experimental Measurements of Multipass BBU . . . . . . . . 112 5.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 vi

5.2 HOM Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.2.1 Schottky Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.2.2 Observations of BBU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.3 HOM Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 5.3.1 Stable Modes Being Driven Unstable . . . . . . . . . . . . 118 5.4 Measuring the Threshold Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.4.1 Evolution of the HOM Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.4.2 Direct Observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.4.3 Beam Transfer Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.4.4 Growth Rate Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.5 Characterizing the Beam Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 6 BBU Suppression: Beam Optical Control . . . . . . . . . . . . 138 6.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 6.2 Point-to-Point Focusing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 6.2.1 Implementing Point-to-Point Focusing . . . . . . . . . . . 140 6.2.2 Measured Effect on the Threshold Current . . . . . . . . . 142 6.2.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 6.3 Local Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 6.3.1 Implementing a Local Reflector . . . . . . . . . . . . . . . 145 6.3.2 Measured Effect on the Threshold Current . . . . . . . . . 149 6.4 Global Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 6.4.1 Implementing a Global Rotation . . . . . . . . . . . . . . . 151 6.4.2 Measured Effect on the Threshold Current . . . . . . . . . 153 6.4.3 Simulations of Coupled Optics Suppression Techniques . . 154 6.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 vii

3.4.2 Backleg Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73<br />

3.4.3 Energy Recovery Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . 73<br />

3.5 Longitudinal Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74<br />

3.5.1 Analogy to Transverse Dynamics . . . . . . . . . . . . . . 74<br />

3.5.2 Deriving Proper Momentum Compactions . . . . . . . . . 76<br />

4 Theory and Simulation of Multipass BBU . . . . . . . . . . . 79<br />

4.1 The Pillbox Cavity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82<br />

4.1.1 TMmn0 Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82<br />

4.2 Derivation of the BBU Threshold Current . . . . . . . . . . . . . 83<br />

4.2.1 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89<br />

4.3 BBU Simulation Codes: Particle Tracking . . . . . . . . . . . . . 90<br />

4.3.1 Generic Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90<br />

4.3.2 TDBBU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92<br />

4.3.3 ERLBBU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92<br />

4.4 Alternate Derivation of the BBU Threshold Current . . . . . . . . 93<br />

4.5 BBU Simulation Codes: Eigenvalue Solutions . . . . . . . . . . . . 97<br />

4.5.1 M<strong>AT</strong>BBU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97<br />

4.6 Measuring HOM Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98<br />

4.6.1 RF Measurements of the Zone 3 Cryomodule . . . . . . . . 99<br />

4.6.2 Beam-based HOM Polarization Measurements . . . . . . . 101<br />

4.7 Validity of Single Mode Threshold Current Formula . . . . . . . . 106<br />

4.8 Results of BBU Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109<br />

4.8.1 FEL Upgrade Without Zone 3 . . . . . . . . . . . . . . . . 109<br />

4.8.2 FEL Upgrade With Zone 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110<br />

5 Experimental Measurements of Multipass BBU . . . . . . . . 112<br />

5.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113<br />

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