Modelling of Fast Beam-Ion Instability in Future Accelerators

Abstract

Fremtidige akseleratorer som den kompakte lineære kollideren (CLIC) forventes å være sårbare for fenomenet fast beam-ion instability (FBII) på grunn av deres høye stråleintensitet og små tverrgående strålestørrelse. I motsetning til klassisk ione-ustabilitet, manifesterer FBII seg langs lengden av strålen, noe som betyr at det kan oppstå i lineære akseleratorer (LINAC) så vel som sirkulære akseleratorer. Ioner genereres gjennom strålens interaksjon med gassene som er tilstede i akselerator kanalen og induserer en sammenhengende bevegelse av strålen som gjør at den blir ustabil. De numeriske makropartikkelmodelleringsverktøyene PyECLOUD og PyHEADTAIL har tidligere blitt brukt til å studere FBII i CLIC-demper-ringen.

I dette prosjektet har de numeriske modelleringsverktøyene blitt brukt for å studere effekten av restgasstrykk i hoved-LINAC til CLIC. Simuleringsoppsett med gasssammensetning av flere arter har blitt testet for CLIC-demper-ringen, og ionegenereringsprosessen har blitt oppdatert for å håndtere elektrisk feltionisering.

Resultatene fra simuleringene av demper-ringen viste god samsvar med teorien. Det er imidlertid nødvendig med ytterligere undersøkelser før vellykkede simuleringsstudier av FBII i hoved-LINAC til CLIC kan oppnås. Opp mot dette har master prosjektet lagt grunnlaget for videre utvikling og fremtidige trykkstudier i hoved-LINAC til CLIC.

Future accelerators such as the compact linear collider (CLIC) are expected to be vulnerable to the fast beam-ion instability (FBII) phenomenon due to their high beam intensity and small transverse beam size. Unlike classical ion instability, FBII manifests along the length of the bunch train which means that it can arise in linear accelerators (LINAC) as well as circular accelerators. Ions are generated through the beam's interaction with the gases present in the beam duct and induce a coherent motion of the bunches which causes the beam to become unstable. The numerical macroparticle modelling tools PyECLOUD and PyHEADTAIL have previously been used to study FBII in the CLIC damping ring.

In this project the numerical modelling tools have been applied for studying the effects of residual gas pressure in the CLIC main LINAC. Simulation setups with multiple species gas composition have been tested for the CLIC damping ring and the ion generation process has been updated to handle electric field ionisation.

The results from the damping ring simulations showed good alignment with theory. However, further investigation are needed to before successful simulation studies of FBII in the CLIC main LINAC can be achieved. To that end, the project has laid the foundation for continued development and future pressure studies in the CLIC main LINAC.