Analysis of input coupler asymmetry influence on particle beams dynamics in accelerators with superconducting cavities
An investigation of input coupler asymmetry influence on electron beam’s dynamics in energy recovery linacs (ERL) with superconducting cavities was carried out. Were considered several types of input power couplers – coaxial and waveguide, asymmetric and symmetric. Based on numerical modeling electr...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2008 |
| Автори: | , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2008
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111485 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Analysis of input coupler asymmetry influence on particle beams dynamics in accelerators with superconducting cavities / M.A. Gusarova, A.A. Zavadtsev, A.A. Krasnov, V.A. Makarov, N.P. Sobenin, V.I. Shvedunov // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 5. — С. 54-56. — Бібліогр.: 2 назв. — англ. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859656941307953152 |
|---|---|
| author | Gusarova, M.A. Zavadtsev, A.A. Krasnov, A.A. Makarov, V.A. Sobenin, N.P. Shvedunov, V.I. |
| author_facet | Gusarova, M.A. Zavadtsev, A.A. Krasnov, A.A. Makarov, V.A. Sobenin, N.P. Shvedunov, V.I. |
| citation_txt | Analysis of input coupler asymmetry influence on particle beams dynamics in accelerators with superconducting cavities / M.A. Gusarova, A.A. Zavadtsev, A.A. Krasnov, V.A. Makarov, N.P. Sobenin, V.I. Shvedunov // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 5. — С. 54-56. — Бібліогр.: 2 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | An investigation of input coupler asymmetry influence on electron beam’s dynamics in energy recovery linacs (ERL) with superconducting cavities was carried out. Were considered several types of input power couplers – coaxial and waveguide, asymmetric and symmetric. Based on numerical modeling electromagnetic fields distribution in accelerating cavity with input coupler was found, the transverse deflecting impulse was calculated.
Проведено дослідження впливу асиметрії вводу потужності в надпровідні резонатори інжекційної частини прискорювача з рекуперацією енергії (ERL) на динаміку пучків електронів. Розглянуто коаксіальні і хвилеводні, асиметричні і симетричні варіанти вводу потужності. На основі чисельного моделювання знайдено розподіл електромагнітних полів у прискорювальному резонаторі з пристроєм вводу потужності, розраховано величину поперечного відхиляючого імпульсу.
Проведено исследование влияния асимметрии вводов мощности в сверхпроводящие резонаторы инжекционной части ускорителя с рекуперацией энергии (ERL) на динамику пучков электронов. Рассмотрены коаксиальные и волноводные, асимметричные и симметричные варианты вводов мощности. На основе численного моделирования найдено распределение электромагнитных полей в ускоряющем резонаторе с устройством ввода мощности, рассчитана величина поперечного отклоняющего импульса.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:40:24Z |
| format | Article |
| fulltext |
ANALYSIS OF INPUT COUPLER ASYMMETRY INFLUENCE
ON PARTICLE BEAMS DYNAMICS IN ACCELERATORS
WITH SUPERCONDUCTING CAVITIES
M.A.Gusarova, A.A.Zavadtsev1, A.A.Krasnov, V.A.Makarov2, N.P.Sobenin, V.I. Shvedunov2
Moscow Engineering Physics Institute (State University)
1Introscan, LLC
2Institute of Nuclear Physics
E-mail: sobenin@mail.ru
An investigation of input coupler asymmetry influence on electron beam’s dynamics in energy recovery linacs
(ERL) with superconducting cavities was carried out. Were considered several types of input power couplers –
coaxial and waveguide, asymmetric and symmetric. Based on numerical modeling electromagnetic fields distribu-
tion in accelerating cavity with input coupler was found, the transverse deflecting impulse was calculated.
PACS: 29.27.-а, 27.27.Bd
1. INTRODUCTION
Usage of asymmetric geometry of RF-power input
coupler to an accelerator leads to transverse components
of EM-field on the beam axis, which are responsible for
a transverse impulse deflecting particles from the axis
and making the beam emittance grow. To estimate the
influence of the current effect on beam’s dynamics a no-
tion of the beam’s kick is introduced. Numerically it’s
characterized by a ratio of Lorenz force integral normal-
ized by charge and integral of longitudinal accelerating
component of EM-field. Integration is made along the
trajectory of the beam’s center flight. One must also
take into account time flight factor.
( )
∫
∫ +
==
dzE
dxeHE
V
Vkick
z
xy
acc
t . (1)
Calculation of beam emittance change due to field
asymmetry in the region of beam’s flight can be per-
formed by usage of analytical formula, which is given in
[1]. More precise results can be obtained by modeling of
beam’s dynamics, i.e. by solving motion equations for
all beam particles in the field distribution obtained.
RTMTRACE software was used for that. It was written
for electron beam’s dynamics calculation in microtron
[2]. Further developments made it possible to use RTM-
TRACE for calculation of other accelerating structures.
One has to provide EM-field calculated in an external
software and written in a file in a specialized format for
dynamics modeling. Also, to calculate structures given
below initial program text was edited and compiled to
produce an executable file.
2. COAXIAL INPUT COUPLER
Calculations were performed for structures with
coaxial and waveguide input couplers given in Fig.1.
Calculation for a structure with a single coaxial input
coupler (Fig.1,a) was performed to compare results with
those given in [1]. During field calculation mesh opti-
mization was performed manually in order to increase
the number of mesh elements in the region of the
beam’s flight. Finally mesh with 160000 elements was
used for field calculation, 10000 of which corresponded
to the volume of beam flight.
а
b
Fig.1. Coaxial and waveguide input couplers
Fig.2 gives components of EM-fields in asymmetric
coaxial input coupler calculated with a boundary condi-
tion of a perfect electric wall. Similar calculations were
performed for a perfect magnetic wall.
Table 1 gives peak electric and magnetic field com-
ponents’ values, obtained by calculation with two
boundary conditions (E-wall and H-wall). In order to
determine kick in two-cell buncher of ERL by using
these data normalization was made to receive effective
accelerating voltage in the cavity at the value of 1 MV.
The kick calculation method gave
kick = 0.0014 – 0.0018i. The following parameters of
ERL injector were used: operating frequency – 1.3 GHz,
initial beam energy 4 MeV, accelerating gap voltage 1
MV, beam current 0.1 A, charge 77 pCl, transverse
beam radius ,x yσ = 2 mm, beam length яσ =0.6 mm, and
initial emittance 0ε = 1 mm⋅mrad.
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2008. № 5.
Series: Nuclear Physics Investigations (50), p.54-56.
54
a
b
c
Fig.2. Longitudinal (а), transverse (b) components of
electric field and transverse component of magnetic
field (с) on structure axis with electric wall boundary
condition usage
Beam emittance growth calculated by the analytical
formula [1] due to received kick value was 12% for one
of the five accelerating cavities. The difference from the
result of 20% given in [1] can be explained by mesh ef-
fects, and by different software used to compute fields.
Table 1. EM-field components’ peak values on beam axis
Component Peak value
E-wall H-wall
Ez [V/m] 1.1⋅107 1.1⋅107
Ey [V/м] 2.6⋅104 5.6⋅104
c⋅Bx [V/m] 4.0⋅104 4.0⋅104
Beam dynamics modeling by RTMTRACE in cavity
with the single coaxial input coupler was performed for
two various electrons bunches. Results are given in Ta-
ble 2.
Table 2. Electron beam dynamics modeling by RTMTRACE
Bunch
q
[pCl]
ε0 [mm⋅
mrad]
σz
[mm]
σx,y
[mm]
emittance
growth,
%
1 77 1 0.6 2 5
2 8 0.1 0.6 0.6 12
Beam characteristics are given before and after pass-
ing the accelerator in Fig.3 (RTMTRACE). Here are
some other output parameters of beam dynamics model-
ing: energetic spread – 6.23%, maximum deviation of a
particle – 2.25 mm from axis, bunch length – 1,05º.
a b
c d
e f
Fig.3. Beam parameters before (а – cross-section,
b – phase plane x-xp, c– phase plane y-yp) and after
passing the accelerator (d– cross-section, e – phase
plane x-xp, f – phase plane y-yp)
A structure with symmetric coaxial input coupler
was also used to determine beam dynamics by means of
RTMTRACE. Two cases given in Table 2 were consid-
ered. For both of them emittance growth did not exceed
4%.
3. WAVEGUIDE INPUT COUPLER
Waveguide input coupler, shown in Figure 1, b, will
be a good alternative to coaxial coupler if its asymmetry
of geometric doesn’t lead to considerable transverse
components’ values of EM-field in the region of beam
flight. Analysis of the structure by means of MWS
showed that the distribution of fields on axis is strongly
affected by the length of waveguide’s end, which is
shown by size rwg_sc in Fig.1,b. Table 3 gives values
for peak fields on structure axis for two values of
rwg_sc – 111 mm and 145 mm.
In both cases the estimation of beam emittance
growth was made for the bunch (see Table 2) center be-
ing in phase with the accelerating wave. Current values
were obtained for kick and emittance growth: for rwg_sc
= 110 mm кick =0.0638–0,0241i and emittance growth is
154%; for rwg_sc =145 mm kick =0.0009–0.0006i and
emittance growth is 3.8%.
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2008. № 5.
Series: Nuclear Physics Investigations (50), p.54-56.
55
Table 3. Peak field values on structure axis with vari-
ous lengths of rectangular waveguide’s end
Bound-
ary
Peak value
rwg_sc 110 mm
Ez [V/m] Ey [V/m]
(min./max) cBx [V/m]
E-wall 1.15⋅107 (3.6/4.1)⋅103 1.6⋅104
H-wall 1.15⋅107 (3.1/3.8)⋅105 1.4⋅106
rwg_sc 145 mm
E-wall 1.15⋅107 (1.4/1.6)⋅103 6.4⋅103
H-wall 1.15⋅107 (7.0/8.0)⋅103 3.1⋅104
For rwg_sc = 145 mm the transverse components are
considerably lower. Obviously, smaller waveguide’s
end length leads to a local field perturbation.
SUMMARY
The results obtained are evaluative; the calculations
did not take into account transverse dependence of elec-
tromagnetic fields. However, the following conclusions
can be made:
the asymmetric structure with coaxial input coupler
cannot provide low beam emittance growth;
the asymmetric structure with waveguide rectangular
input coupler with some size optimization can provide
quite low emittance growth (3,8%).
REFERENCES
1. V. Shemelin, S. Belomestnykh and H. Padamsee.
Low-lick Twin-coaxial and Waveguide-coaxial
Couplers for ERL, Cornell Lepp Report SRF
021028-08 (November 28, 2002).
2. V.I. Shvedunov, at all. RTMTRACE, VINITI,
N 183-В89, 1989.
Статья поступила в редакцию 07.09.2007 г.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АСИММЕТРИИ ВВОДА МОЩНОСТИ НА ДИНАМИКУ ПУЧКА
В УСКОРИТЕЛЕ СО СВЕРХПРОВОДЯЩИМИ РЕЗОНАТОРАМИ
М.А. Гусарова, А.А. Завадцев, А.А. Краснов, В.А. Макаров, Н.П. Собенин, В.И. Шведунов
Проведено исследование влияния асимметрии вводов мощности в сверхпроводящие резонаторы инжек-
ционной части ускорителя с рекуперацией энергии (ERL) на динамику пучков электронов. Рассмотрены
коаксиальные и волноводные, асимметричные и симметричные варианты вводов мощности. На основе чис-
ленного моделирования найдено распределение электромагнитных полей в ускоряющем резонаторе с
устройством ввода мощности, рассчитана величина поперечного отклоняющего импульса.
ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ АСИМЕТРІЇ ВВОДУ ПОТУЖНОСТІ НА ДИНАМІКУ ПУЧКУ
У ПРИСКОРЮВАЧІ З НАДПРОВІДНИМИ РЕЗОНАТОРАМИ
М.А. Гусарова, А.А. Завадцев, А.А. Краснов, В.А. Макаров, Н.П. Собенін, В.І. Шведунов
Проведено дослідження впливу асиметрії вводу потужності в надпровідні резонатори інжекційної
частини прискорювача з рекуперацією енергії (ERL) на динаміку пучків електронів. Розглянуто коаксіальні і
хвилеводні, асиметричні і симетричні варіанти вводу потужності. На основі чисельного моделювання
знайдено розподіл електромагнітних полів у прискорювальному резонаторі з пристроєм вводу потужності,
розраховано величину поперечного відхиляючого імпульсу.
56
M.A.Gusarova, A.A.Zavadtsev1, A.A.Krasnov, V.A.Makarov2, N.P.Sobenin, V.I. Shvedunov2
E-mail: sobenin@mail.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АСИММЕТРИИ ВВОДА МОЩНОСТИ НА ДИНАМИКУ ПУЧКА В УСКОРИТЕЛЕ СО СВЕРХПРОВОДЯЩИМИ РЕЗОНАТОРАМИ
ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ АСИМЕТРІЇ ВВОДу ПОТУЖНОСТІ НА ДИНАМІКУ ПУЧКу У ПРИСКОРЮВАЧІ З НАДПРОВІДНИМИ РЕЗОНАТОРАМИ
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-111485 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T13:40:24Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Gusarova, M.A. Zavadtsev, A.A. Krasnov, A.A. Makarov, V.A. Sobenin, N.P. Shvedunov, V.I. 2017-01-10T13:02:05Z 2017-01-10T13:02:05Z 2008 Analysis of input coupler asymmetry influence on particle beams dynamics in accelerators with superconducting cavities / M.A. Gusarova, A.A. Zavadtsev, A.A. Krasnov, V.A. Makarov, N.P. Sobenin, V.I. Shvedunov // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 5. — С. 54-56. — Бібліогр.: 2 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 29.27.-а, 27.27.Bd https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111485 An investigation of input coupler asymmetry influence on electron beam’s dynamics in energy recovery linacs (ERL) with superconducting cavities was carried out. Were considered several types of input power couplers – coaxial and waveguide, asymmetric and symmetric. Based on numerical modeling electromagnetic fields distribution in accelerating cavity with input coupler was found, the transverse deflecting impulse was calculated. Проведено дослідження впливу асиметрії вводу потужності в надпровідні резонатори інжекційної частини прискорювача з рекуперацією енергії (ERL) на динаміку пучків електронів. Розглянуто коаксіальні і хвилеводні, асиметричні і симетричні варіанти вводу потужності. На основі чисельного моделювання знайдено розподіл електромагнітних полів у прискорювальному резонаторі з пристроєм вводу потужності, розраховано величину поперечного відхиляючого імпульсу. Проведено исследование влияния асимметрии вводов мощности в сверхпроводящие резонаторы инжекционной части ускорителя с рекуперацией энергии (ERL) на динамику пучков электронов. Рассмотрены коаксиальные и волноводные, асимметричные и симметричные варианты вводов мощности. На основе численного моделирования найдено распределение электромагнитных полей в ускоряющем резонаторе с устройством ввода мощности, рассчитана величина поперечного отклоняющего импульса. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика и техника ускорителей Analysis of input coupler asymmetry influence on particle beams dynamics in accelerators with superconducting cavities Дослідження впливу асиметрії вводу потужності на динаміку пучку у прискорювачі з надпровідними резонаторами Исследование влияния асимметрии ввода мощности на динамику пучка в ускорителе со сверхпроводящими резонаторами Article published earlier |
| spellingShingle | Analysis of input coupler asymmetry influence on particle beams dynamics in accelerators with superconducting cavities Gusarova, M.A. Zavadtsev, A.A. Krasnov, A.A. Makarov, V.A. Sobenin, N.P. Shvedunov, V.I. Физика и техника ускорителей |
| title | Analysis of input coupler asymmetry influence on particle beams dynamics in accelerators with superconducting cavities |
| title_alt | Дослідження впливу асиметрії вводу потужності на динаміку пучку у прискорювачі з надпровідними резонаторами Исследование влияния асимметрии ввода мощности на динамику пучка в ускорителе со сверхпроводящими резонаторами |
| title_full | Analysis of input coupler asymmetry influence on particle beams dynamics in accelerators with superconducting cavities |
| title_fullStr | Analysis of input coupler asymmetry influence on particle beams dynamics in accelerators with superconducting cavities |
| title_full_unstemmed | Analysis of input coupler asymmetry influence on particle beams dynamics in accelerators with superconducting cavities |
| title_short | Analysis of input coupler asymmetry influence on particle beams dynamics in accelerators with superconducting cavities |
| title_sort | analysis of input coupler asymmetry influence on particle beams dynamics in accelerators with superconducting cavities |
| topic | Физика и техника ускорителей |
| topic_facet | Физика и техника ускорителей |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111485 |
| work_keys_str_mv | AT gusarovama analysisofinputcouplerasymmetryinfluenceonparticlebeamsdynamicsinacceleratorswithsuperconductingcavities AT zavadtsevaa analysisofinputcouplerasymmetryinfluenceonparticlebeamsdynamicsinacceleratorswithsuperconductingcavities AT krasnovaa analysisofinputcouplerasymmetryinfluenceonparticlebeamsdynamicsinacceleratorswithsuperconductingcavities AT makarovva analysisofinputcouplerasymmetryinfluenceonparticlebeamsdynamicsinacceleratorswithsuperconductingcavities AT sobeninnp analysisofinputcouplerasymmetryinfluenceonparticlebeamsdynamicsinacceleratorswithsuperconductingcavities AT shvedunovvi analysisofinputcouplerasymmetryinfluenceonparticlebeamsdynamicsinacceleratorswithsuperconductingcavities AT gusarovama doslídžennâvplivuasimetríívvodupotužnostínadinamíkupučkuupriskorûvačíznadprovídnimirezonatorami AT zavadtsevaa doslídžennâvplivuasimetríívvodupotužnostínadinamíkupučkuupriskorûvačíznadprovídnimirezonatorami AT krasnovaa doslídžennâvplivuasimetríívvodupotužnostínadinamíkupučkuupriskorûvačíznadprovídnimirezonatorami AT makarovva doslídžennâvplivuasimetríívvodupotužnostínadinamíkupučkuupriskorûvačíznadprovídnimirezonatorami AT sobeninnp doslídžennâvplivuasimetríívvodupotužnostínadinamíkupučkuupriskorûvačíznadprovídnimirezonatorami AT shvedunovvi doslídžennâvplivuasimetríívvodupotužnostínadinamíkupučkuupriskorûvačíznadprovídnimirezonatorami AT gusarovama issledovanievliâniâasimmetriivvodamoŝnostinadinamikupučkavuskoritelesosverhprovodâŝimirezonatorami AT zavadtsevaa issledovanievliâniâasimmetriivvodamoŝnostinadinamikupučkavuskoritelesosverhprovodâŝimirezonatorami AT krasnovaa issledovanievliâniâasimmetriivvodamoŝnostinadinamikupučkavuskoritelesosverhprovodâŝimirezonatorami AT makarovva issledovanievliâniâasimmetriivvodamoŝnostinadinamikupučkavuskoritelesosverhprovodâŝimirezonatorami AT sobeninnp issledovanievliâniâasimmetriivvodamoŝnostinadinamikupučkavuskoritelesosverhprovodâŝimirezonatorami AT shvedunovvi issledovanievliâniâasimmetriivvodamoŝnostinadinamikupučkavuskoritelesosverhprovodâŝimirezonatorami |