ATF2: pour un faisceau stable de 37nm Cécile Rimbault RAPA

ATF2: pour un faisceau stable de 37nm ATF/ATF2 layout Schedule LAL contributions Emittance and coupling corrections studies

Accelerator Test Facility

ATF2 beam line (fin 2008) Accelerator Test Facility

Small nominal beam size Obtain  y ~ 37nm Maintain for long time Stabilization of beam center Down to < 2nm by nano-BPM Bunch-to-bunch feedback of ILC-like train Objectifs de ATF2

ATF – beam operation schedule LAL: P. Bambade, J. Brossard, G. Le Meur, Y. Renier, C. Rimbault, F. Touze S. Bai (LAL/IHEP), M. C. Alabau Pons (LAL/IFIC)

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ATF2 activities at LAL M. Alabau, P. Bambade*, S. Baï, J. Brossard, G. Le Meur*, Y. Renier*, C. Rimbault*, F. Touze* Espace de phase dans la ligne d’extraction de ATF(2) (CR, JB, MA, PB): - Evaluation / amélioration des méthodes de mesure de l’emittance verticale en présence d’erreurs. - Identification des sources d’erreur et de couplage. - Tentatives de mesure et de correction du couplage. - Etude des non-linearités dans la section partagée entre le Damping Ring et la ligne d’extraction. Coordination de la tâche dédiée à la correction du couplage xy pour le commissioning ATF2. - Etude de la validité des méthodes de mesure du couplage. - Evaluation de l’optique minimale nécessaire à la correction du couplage. - Automatisation des procedures de mesure et de correction. Pulse to pulse Feedback au point d’interaction dans ATF2 (YR, PB): - Modélisation et analyse des mouvements du sol. - Développement d’un algorithme de feedback des trajectoires. - Modélisation des corrections faisceau et étude de tolérances. - Reconstruction et contrôle de l’orbite, devant permettre la stabilisation du faisceau. - Implémentation dans le programme de monitorage général “Flight Simulator”. Focalisation finale au point d’interaction de ATF2 (SB, YR, PB): - Optimisation du spot avec des tolérances réduites pour le commissioning de ATF2 et differentes positions de l’IP. - Limites and dépendances de la correction de chromaticité dans la section de focalisation finale. - Contrôle des aberrations optiques. Determination de la carte de champs du quadrupôle QM7, partagé entre la ligne d’EXT et le DR(MA, PB, GLM, FT): - Evaluation des non-linearités du champs. - Etude des alternatives à l’utilisation de QM7.

Etudes réalisées sur ATF de nov 2007 à mai 2008 Problématique: L’émittance mesurée dans EXT est 3 fois celle mesurée dans le DR. causes possibles: méthodes de reconstruction Non linéarité de champ magnétique dans les aimants partagés avec le DR Faisceau couplé a l’entrée de EXT...?

La Mesure d’Emittance 5 wire scanners station At each station, 3 wire scanner orientations for beam size measurement. For vertical (or horizontal) projected emittance measurement, only one wire scanner orientation is needed. For x-y coupling measurement a tilt angle is also required. Diagnostic section (  x =  y =  ) Wire thickness = 10  m & 50  m 90° 10° 0°

La Mesure d’Emittance Coupling terms Measurable terms Matrice de transfert optique Emittance horizontale projetée: Emittance verticale projetée:  11 et  33 mesurés directement  13 mesurés avec wire scanner u (10 o ): Agapov, Blair, Woodley, PRST-AB (2007) P. Emma, M. Woodley, ATF-99-04:

Multi wire-scanner position method Difficulté: Nécessite une bonne avance de phase entre les wire-scanners,qui dépend de l’optique et du faisceau à l’entrée de EXT.

Waist scan method - 1 Transfer Matrix: normal quad: R tot = RQ skew quad: R tot = RQ K Coupling terms Measurable terms The squares of the measured beam sizes,  11 M,  13 M,  33 M, at a wire scanner position can be expressed as a parabolic function of the strength of the scanned quad, described by 3 fit parameters A, B, C:  ij =A ij (k-B ij ) 2 +C ij

Waist scan method - 2 With normal quad scan: With skew quad scan:

from raw data corrected from dispersion  x = (3.3 +/- 0.4 ) nm.rad Quad scan (QF5X) Quad scan (QF6X) Multi-wire emittance reconstruction based on Monte-Carlo simulation :  x = (3.3 +/- 1.3 ) nm.rad ~ 0.66% DR value (?)  y = (82 +/- 26 ) pm.rad ~ 300 % DR value Results from 12 march 2008 shift The vertical emittance in the DR was measured :  x = 5 nm.rad (?)  y = 34 pm.rad  y = (114 +/- 13 ) pm.rad

EXT line beta function and phase advance for 3 differents input Twiss parameter set (optics from 12 th march shift) Input from the DR solution :  x = m  x =  y = m  y = Input from multi- wire meas. :  x =2.5m  x =1.0  y = 0.68 m  y =1.1 Input from quad scan meas. :  x =6.7m  x =1.6  y = 0.51 m  y =-1.1 The « measure »phase advance between wire scanner is very bad  need to match the optics « on-line ».

Comprendre l’augmentation de l’émittance Dans les aimants partagés entre le DR et EXT, le faisceau passe hors axe, où le champ magnetique serait non lineaire  couplage du faisceau Mise en évidence du couplage par scan d’un skew quad  Reproduire les mesures par simulation (MAD8) en ajoutant une composante multipolaire à QM7.  Calculer une correction adaptée via MAD8 minimisation de  y par itérations successives des forces skew quad prévus à cet effet.  Appliquer la correction calculée (forces des skew minimisant  y ) à la machine  Refaire les mesures

Comprendre l’augmentation de l’émittance

Difficultés expérimentales Mesures non reproductibles d’un jour à l’autre. Variation de la dispersion à court terme (1 ou 2 heures) Méthodes de mesure de l’émittance couteuses en temps  Pour ATF2 nécessité d’automatiser les procédures de corrections (orbit, dispersion, couplage...) et de mesures de l’émittance.  Flight Simulator: interface matlab entre le système de control de ATF2 et Lucretia, software de simulation du transport d’un faisceau dans un accélérateur. Permettra le control de la machine.

FS example: Simulation Procedure (100 seeds) apply standard errors (EXT only)‏ steer flat (EXT only)‏ launch into FFS –use FFS feedback measure dispersion in diagnostic section –scan input beam energy –measure orbits –fit position vs energy at each BPM correct dispersion in diagnostic section –back-propagate measured η to start of diagnostic section to get η0 and η′0 –use QF1X + QF6X multiknobs for ηx and η′x –correct η y and η′ y using skew quads in inflector correct coupling –scan 4 skew quadrupoles sequentially –deduce projected ε y from wire scanner measurements –set each skew quad to minimize projected ε y

Standard Error Parameters - wiki

Dispersion Correction Vertical dispersion / dispersion' as measured in EXT diagnostic section before and after dispersion correction.  y (mm) ’y’y

Coupling Correction IP coupling terms before and after EXT coupling correction procedure. xy x’y

Simulation Performance IP spot sized considerably reduced. Full simulation including FFS errors and tuning ok- FFS tuning removes remaining errors from EXT tuning.

Full comparison mean value/ std for  y &  y 1:SE 2:SE+QM7 3:SE+DR 4:SE+DR+QM7 5:SE+DR+2QM7 Before CC CC 2 skew CC 4 skew Etude de l’optique mininale pour la correction du couplage

Conclusions Emittance verticale dans EXT = 3 X DR Sources de couplage dans EXT: QM7 possible mais pas seulement. Nécessité d’automatiser les procédures de mesure et de corrections  Flight simulator 4 skew quads reduisent l’emittance de 15% par rapport à 2 Recherche de méthodes plus directes dans la correction du couplage