Calculation of coupled bunch effects in the synchrotron light source BESSY VSR

Abstract

Im Rahmen dieser Dissertation wird die Stärke der Multibunch-Instabilität (MBI), die von longitudinalen Dipol-, transversalen Dipol- und Quadrupolschwingungsmoden höherer Ordnung getrieben werden mithilfe von analytischen Rechnungen und Trackingsimulationen in dem Ausbauprojekt BESSY Variable Pulse Length Storage Ring (BESSY VSR) des Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) untersucht und mit dem vorhanden aktiven Dämpfungssystem verglichen. Algorithmen für Trackingsimulationen werden hergeleitet und eine halbempirische Formel zur Abschätzung der transversalen quadrupolaren MBI wird präsentiert. MBI Studien bilden einen wesentlichen Teil der Beurteilung der BESSY VSR Hohlraumresonatoren und begleiteten und beeinflussten ihren Entwicklungsprozess. Mit Berechnungen auf Grundlage des neusten BESSY VSR Hohlraumresonatormodels kann Strahlstabilität als wahrscheinlich und unabhängig vom Füllmuster angesehen werden. Des weiteren wurden Messungen der MBI an BESSY II und der Metrology Light Source (MLS) der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt durchgeführt, bei welcher die longitudinale langreichende Impedanz charakterisiert wurde. Transiente Strahllast wird in dieser Arbeit mit analytischen Formeln und neuen, experimentell überprüften Trackingsimulationen berechnet. Für das Standardfüllmuster von BESSY VSR wurde gezeigt, dass die besondere Konfiguration der Hohlraumresonatorfrequenzen zu einer relativ starken Beeinflussung der langen Elektronenpakete führt. Diese verkürzt das Elektronenpaket und vergrößert die Touschekverluste.

In the scope of this thesis, the strength of coupled bunch instabilities (CBIs) driven by longitudinal monopole higher order modes (HOMs) and transverse dipole and quadrupole HOMs is evaluated for the upgrade project BESSY Variable Pulse Length Storage Ring (BESSY VSR) at Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB), based on analytic calculations and tracking simulations, and compared to the performance of an active bunch-by-bunch feedback (BBFB). Algorithms for tracking codes are derived, and a semi-empirical formula for the estimation of transverse quadrupole CBIs is presented. CBI studies are an integral part of the benchmarking of the cavity models for BESSY VSR and have been accompanying and influencing their entire design process. Based on the BESSY VSR cavity model with highly advanced HOM damping, beam stability is likely to be reached with a BBFB system, independent of the bunch fill pattern. Additionally, measurements of CBIs have been performed at BESSY II and the Metrology Light Source of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (MLS), where the longitudinal long range impedance was characterized. Transient beam loading is evaluated by means of analytic formulas and new experimentally verified tracking codes. For the baseline bunch fill pattern of BESSY VSR, it is shown that the particular setup of cavity frequencies amplifies the transient effect on the long bunch, limiting its elongation and potentially resulting in increased Touschek losses.