ZBASE3 : la nouvelle base de données de l’impédance des accélérateurs du CERN MEDINA Hubert 01/04/2017 MEDINA Hubert.

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1 ZBASE3 : la nouvelle base de données de l’impédance des accélérateurs du CERN
MEDINA Hubert 01/04/2017 MEDINA Hubert

2 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

3 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

4 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

5 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

6 ZBASE : base de données de l’impédance
- Créée par Oliver S. Brüning - Ecrite en Tcl/Tk - Appliquée au LEP et débutée pour le LHC 01/04/2017 MEDINA Hubert

7 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

8 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

9 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

10 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

11 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

12 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

13 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

14 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

15 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

16 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

17 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

18 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

19 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

20 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) 01/04/2017 MEDINA Hubert

21 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 : 01/04/2017 MEDINA Hubert

22 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) : 01/04/2017 MEDINA Hubert

23 Conclusions - Les seuils d’instabilités obtenus par HEADTAIL et MOSES sont en très bon accord : ~ 1, p/b - Des mesures effectuées au SPS dans le passé ont révélé un seuil d’instabilité à ~ 0, 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

24 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

25 - Elias METRAL - Oliver S. BRUNING - Giovanni RUMOLO - John JOWETT
Remerciements - Elias METRAL - Oliver S. BRUNING - Giovanni RUMOLO - John JOWETT - Benoît SALVANT 01/04/2017 MEDINA Hubert

26 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

27 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 01/04/2017 MEDINA Hubert

28 Instabilité de paquet unique
Tête du paquet Queue du paquet 01/04/2017 MEDINA Hubert