The aim of the nowadays synchrotron facilities is to provide increasingly brilliant radiation to the beamline laboratories, pushing the frontiers of scientific progress. This work is a further step in this direction, the vertical beam halo characterization and possible reduction is the key to be able to reduce the gap of the in-vacuum undulators down to 4 mm without harming the magnets, this will increase the emitted photon flux exploiting at its fullest the current machine design. The arising of the halo distribution is not completely understood, it's a dynamic equilibrium resulting from the interplay of different factors and it turns out to be complex to both visualize and simulate. The proposed model for the halo origin predicts the off-energy scattered particles to exhibit large amplitude vertical oscillations due to the crossing of the tune resonances, usually not reachable at nominal conditions. The strategy adopted to limit this phenomenon relies on the lowering of chromaticities and tunes. It induces a reduction of the energy deviation's impact on the motion of the electrons, in this way they will still undergo scattering processes but without being able to cross the tune resonances. The previous concepts have been tested, first through several simulations, and later on in the real machine. Here, the vertical scrapers, the halo monitors, and the in-vacuum undulators have been used to quantify the halo extension and intensity. Once the effectiveness of the proposed method has been confirmed, with the probing of 6 different optics with gradually reduced chromaticity, an optimization algorithm, Trust Region Bayesian Optimization, has been run to find a reasonable compromise between halo reduction and high lifetime, determining the new "Low Halo" setup finally proposed. It provides a reduction of the signal coming from the halo monitors greater than 40% and a decrease in the localized losses at the undulator location of 33%, at 4 mm of the gap. The results enable the reduction of the gap of 0.2 - 0.3 mm at nominal current and emittance making the new proposed optic a useful ally for the reaching of a brighter synchrotron radiation in the future.
L'obiettivo degli odierni sincrotroni è quello di fornire una radiazione con una sempre maggior brillanza ai laboratori nelle beamline, ampliando le frontiere del progresso scientifico. Questo lavoro è un ulteriore passo in questa direzione, la caratterizzazione e la minimizzazione dell' halo verticale del fascio sono la chiave per la riduzione dell'apertura degli ondulatori in vuoto fino a 4 mm senza incorrere nel rischio di danneggiare i magneti presenti; ció permetterebbe l'aumento del flusso di fotoni emesso sfruttando al massimo il corrente design della macchina. Le ragioni dietro l'origine dell'halo non sono ancora completamente chiarite, esso è infatti un equlibrio dinamico risultante dall'interazione di molti fattori e si è rivelato piuttosto complesso sia da visualizzare che simulare. Il modello proposto prevede che le particelle fuori energia, derivanti da processi di scattering, esibiscano oscillazioni ad elevata ampiezza verticale a causa del raggiungimento delle condizioni di risonanza dei tuni, non accessibili in condizioni nominali. La strategia per limitare questo fenomeno si basa sulla riduzione delle cromaticitá e dei tuni, ció infatti provoca un calo dell'impatto della deviazione in energia delle particelle sul loro moto: esse comunque saranno soggette a scattering ma ció non condurrá alle risonanze. Quest'ultimi concetti sono stati oggetto di analisi, prima attraverso diverse simulazioni, e successivamente sulla macchina. Gli scraper verticali, gli halo monitor e gli ondulatori in vuoto sono stati utilizzati per quantificare sia le dimensioni che l'intensitá dell'halo. Una volta che l'efficacia del metodo è stata confermata, testando 6 diverse ottiche con una graduale riduzione delle cromaticità, un algoritmo di ottimizzazione, Trust Region Bayesian Optimization, è stato impiegato per trovare un compromesso tra riduzione dell'halo ed una elevata vita media, determinando il proposto setup "Low Halo". Quest'ultimo consente una riduzione del segnale proveniente dagli halo monitor maggiore del 40% e una diminuzione delle perdite localizzate all'ondulatore del 33%, a 4 mm di apertura. I risultati permettono la riduzione del gap dell'ondulatore di 0.2 - 0.3 mm a corrente ed emittanza nominali rendendo la nuova ottica proposta un utile alleato per il raggiungimento, in futuro, di una radiazione a maggior brillanza.
Vertical beam halo characterization towards insertion device gap reduction
STEFANELLI, MATTIA
2023/2024
Abstract
The aim of the nowadays synchrotron facilities is to provide increasingly brilliant radiation to the beamline laboratories, pushing the frontiers of scientific progress. This work is a further step in this direction, the vertical beam halo characterization and possible reduction is the key to be able to reduce the gap of the in-vacuum undulators down to 4 mm without harming the magnets, this will increase the emitted photon flux exploiting at its fullest the current machine design. The arising of the halo distribution is not completely understood, it's a dynamic equilibrium resulting from the interplay of different factors and it turns out to be complex to both visualize and simulate. The proposed model for the halo origin predicts the off-energy scattered particles to exhibit large amplitude vertical oscillations due to the crossing of the tune resonances, usually not reachable at nominal conditions. The strategy adopted to limit this phenomenon relies on the lowering of chromaticities and tunes. It induces a reduction of the energy deviation's impact on the motion of the electrons, in this way they will still undergo scattering processes but without being able to cross the tune resonances. The previous concepts have been tested, first through several simulations, and later on in the real machine. Here, the vertical scrapers, the halo monitors, and the in-vacuum undulators have been used to quantify the halo extension and intensity. Once the effectiveness of the proposed method has been confirmed, with the probing of 6 different optics with gradually reduced chromaticity, an optimization algorithm, Trust Region Bayesian Optimization, has been run to find a reasonable compromise between halo reduction and high lifetime, determining the new "Low Halo" setup finally proposed. It provides a reduction of the signal coming from the halo monitors greater than 40% and a decrease in the localized losses at the undulator location of 33%, at 4 mm of the gap. The results enable the reduction of the gap of 0.2 - 0.3 mm at nominal current and emittance making the new proposed optic a useful ally for the reaching of a brighter synchrotron radiation in the future.File | Dimensione | Formato | |
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