Modelling Control Loops for SPS-LHC Beam Transfer Studies

Abstract

For HL-LHC æraen kan overføring av partikkelstråler fra SPS føre til tap av partikler og begrensninger i elektrisk effekt i radiofrekvens systemene til LHC. Presise numeriske modeller av kontrollsystemene i både SPS og LHC i simulatoren BLonD er essensielle for å gi estimater for både tap av partikler og begrensinger i elektrisk effekt. Denne masteroppgaven presenterer modeller av både SPS og LHC «cavity controllers», viser hvordan disse ble validert og sammenliknet med målinger. Disse kontrollsystemene regulerer spenningen i de akselererende strukturene i akseleratorene, både i amplitude og i fase under forhold med høy effekt grunnet partikkelstrålen. Ved bruk av SPS «cavity controller» modellen kan man skape realistiske høyintensitets stråler, som vil bli viktig for fremtidige studier av stråleoverføring mellom SPS og LHC. Det ble funnet at SPS modellen er i god enighet med eksperimentell data av partikkelstråler. Videre ble det vist at LHC «cavity loop» modellen kunne gjenskape målte overføringsfunksjoner til tilfredsstillende nøyaktighet.

In the HL-LHC era, the injection of SPS beams might lead to beam losses and RF power limitations in the LHC. An accurate simulation model of both the SPS and LHC control loops in the longitudinal beam dynamics simulator BLonD is indispensable for estimating these beam losses and power limitations. This thesis presents simulation models and benchmarks for the SPS and LHC cavity controllers that control the RF voltage in amplitude and phase in the SPS and LHC accelerating cavities, in high beam-loading conditions. High-intensity, multi-bunch beam distributions can be accurately modelled in the SPS using the SPS cavity controller model, which will be necessary for future beam transfer studies. The SPS model was found to show good agreement with beam measurement data and measurements of the LHC cavity loop transfer functions were accurately reproduced by the LHC cavity loop model.