CERN : Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire - LHC : Large Hadron Collider Groupe groupe AB-ABP : Étude de la dynamique des faisceaux. recherche et développement des accélérateurs. responsable de la supervision des accélérateurs. CERN : Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire 4/1/2017 MEDINA Hubert

Chaîne d’injection du LHC 450 GeV/c – 7 TeV/c 26 GeV/c – 450 GeV/c 1,4 GeV/c – 26 GeV/c 50 MeV/c – 1,4 GeV/c 4/1/2017 MEDINA Hubert

ZBASE3 : la nouvelle base de données de l’impédance des accélérateurs du CERN MEDINA Hubert 4/1/2017 MEDINA Hubert

Plan Rappel : Physique de l’impédance des accélérateurs Présentation de la nouvelle base de données ZBASE3 Résultats obtenus par ZBASE3 Résultats obtenus par HEADTAIL Résultats obtenus par MOSES Perspectives 4/1/2017 MEDINA Hubert

Physique de la dynamique de faisceau dans un accélérateur 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 paroi de la chambre à vide courant induit 4/1/2017 MEDINA Hubert

Wakefield ou Impédance paroi de la chambre à vide courant induit Champ de sillage ou wakefield Wakefield : en fonction du temps Reliés par la transformée de Fourier Impédance : en fonction de la fréquence Comme les caractéristiques d’un matériau dépendent en général de la fréquence on traite souvent ce problème dans le domaine des fréquences => Impédance 4/1/2017 MEDINA Hubert

Impédance dans les accélérateurs du CERN 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 : 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 44 collimateurs du LHC : blocs de graphite utilisés pour la protection des aimants supraconducteurs du LHC 4/1/2017 MEDINA Hubert

ZBASE : base de données de l’impédance - Créée par Oliver S. Brüning - Ecrite en Tcl/Tk - Appliquée au LEP et débutée pour le LHC 4/1/2017 MEDINA Hubert

ZBASE3 : nouvelle base de données de l’impédance 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 4/1/2017 MEDINA Hubert

Organigramme de la base de données ZBASE3 Machines : - LHCinj - LHCtop - SPS… Légendes : : répertoires : liens Years : 2006, 2007, ……. DataMachine : Datamachine.dat Groups : - collimator - kicker AllTheMachine Impedance : - data - plot Wakefield : data plot Input : collimator1.input.dat Items : - collimator 1, - collimator 2, …. Output X Y Z Impedance : - data - plot Wakefield : data plot Impedance : - data - plot Wakefield : data plot Impedance : - data - plot Wakefield : data plot 4/1/2017 MEDINA Hubert

Création de nouveaux répertoires dans ZBASE3 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 4/1/2017 MEDINA Hubert

X Y Z Machines :LHCtop Years : 2006 DataMachine AllTheMachine Légendes : : répertoires : liens Machines :LHCtop Years : 2006 DataMachine AllTheMachine Groups: collimator Impedance Wakefield Input Items : TCDQA.4R2.B1 Output X Y Z Impedance Wakefield Impedance Wakefield Impedance Wakefield 4/1/2017 MEDINA Hubert

Entrer des nouveaux éléments dans ZBASE3 La fenêtre Changing the Entries of an Item apparaît permettant à l’utilisateur de: Pour entrer de nouveaux éléments dans ZBASE3 l’utilisateur doit : entrer le fichier datamachine.dat contenant des caractéristiques de la machine entrer les fichiers inputs contenant les caractéristiques d’un élément - cliquer sur Change Item Data - 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 4/1/2017 MEDINA Hubert

Calcul de l’impédance par ZBASE3 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 4/1/2017 MEDINA Hubert

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 Re [Zy] Im [Zy] Re [Zy] Im [Zy] exemple du collimateur TCDQA.4R6.B1 exemple du kicker MKE.41631 4/1/2017 MEDINA Hubert

Conversion de l’impédance en wakefield par ZBASE3 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 4/1/2017 MEDINA Hubert

Conversion de l’impédance en wakefield par ZBASE3 Les résultats obtenus sont : Une table de valeurs du wakefield Un plot du wakefield exemple du kicker MKE.41631 4/1/2017 MEDINA Hubert

Sommation de l’impédance ou du wakefield par ZBASE3 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 copier les éléments dans la liste en fonction du plan : - transversal : X, Y - longitudinal : Z - lancer le calcul de la sommation en : - interactive - batch 4/1/2017 MEDINA Hubert

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 4/1/2017 MEDINA Hubert

Visualisation d’un élément dans la base de données ZBASE3 Pour visionner un fichier de la base de données, l’utilisateur doit : - 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 4/1/2017 MEDINA Hubert

Eléments enregistrés dans la base de données ZBASE3 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 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 4/1/2017 MEDINA Hubert

Instabilité de paquet unique Tête du paquet Queue du paquet 4/1/2017 MEDINA Hubert

Calcul de l’impédance totale des 20 kickers du SPS en 2006 HEADTAIL : Simulation de l’instabilité verticale de paquet unique du SPS à l’injection Conversion de l’impédance totale des 20 kickers du SPS en 2006 en wakefield total Calcul de l’impédance totale des 20 kickers du SPS en 2006 plot du wakefield total table de valeurs du wakefield total Table de valeurs utilisée par HEADTAIL (G. Rumolo a modifié son programme pour pouvoir lire des tables de valeurs) 4/1/2017 MEDINA Hubert

HEADTAIL : Simulation de l’instabilité verticale de paquet unique du SPS à l’injection Le seuil d’instabilité (appelée « Tranverse Mode Coupling Instability ») du paquet de particules est : 4/1/2017 MEDINA Hubert

MOSES : Calcul analytique de l’instabilité de paquet unique . MOSES : Calcul analytique de l’instabilité de paquet unique 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) : 4/1/2017 MEDINA Hubert

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 révélées 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 4/1/2017 MEDINA Hubert

Dans le futur, sera relié a ZBASE3 : Le futur de ZBASE3 Dans le futur, sera relié a ZBASE3 : - Le calcul de l’impédance longitudinale - La conversion de l’impédance en wakefield (quelque soit l’impédance) - HEADTAIL : programme de simulation d’instabilités de paquet unique - MTRISIM : programme de simulation d’instabilités de paquets couplés 4/1/2017 MEDINA Hubert

- Elias METRAL - Oliver S. BRUNING - Giovanni RUMOLO - John JOWETT Remerciements - Elias METRAL - Oliver S. BRUNING - Giovanni RUMOLO - John JOWETT - Benoît SALVANT 4/1/2017 MEDINA Hubert