Approximations of operating characteristics of the elliptic cross-section beam position monitors

In the specialized storage rings it is necessary to measure a position of a beam with an absolute accuracy up to 10 µm that corresponds to a relative accuracy about 10⁻³ for the central region of a monitor. The position of a beam is usually measured with the help of electrostatic button monitors....

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Вопросы атомной науки и техники
Дата:2004
Автори: Ivashchenko, V.E., Karnaukhov, I.M., Trotsenko, V.I., Shcherbakov, A.A.
Формат: Стаття
Мова:Англійська
Опубліковано: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2004
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79360
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:Approximations of operating characteristics of the elliptic cross-section beam position monitors / V.E. Ivashchenko, I.M. Karnaukhov, V.I. Trotsenko, A.A. Shcherbakov // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 2. — С. 108-110. — Бібліогр.: 6 назв. — англ.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859904825957810176
author Ivashchenko, V.E.
Karnaukhov, I.M.
Trotsenko, V.I.
Shcherbakov, A.A.
author_facet Ivashchenko, V.E.
Karnaukhov, I.M.
Trotsenko, V.I.
Shcherbakov, A.A.
citation_txt Approximations of operating characteristics of the elliptic cross-section beam position monitors / V.E. Ivashchenko, I.M. Karnaukhov, V.I. Trotsenko, A.A. Shcherbakov // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 2. — С. 108-110. — Бібліогр.: 6 назв. — англ.
collection DSpace DC
container_title Вопросы атомной науки и техники
description In the specialized storage rings it is necessary to measure a position of a beam with an absolute accuracy up to 10 µm that corresponds to a relative accuracy about 10⁻³ for the central region of a monitor. The position of a beam is usually measured with the help of electrostatic button monitors. Operating characteristics of a beam position monitor are individual for each copy, are measured on precision benches and approximated by analytical functions. In the paper the various methods of approximation of operating characteristics are considered and the variant allowing one to reduce an error of approximation in tens times in comparison with a traditional method is found. В спеціалізованих нагромаджувачах необхідно виміряти положення пучку з абсолютною точністю до 10 мкм, що відповідає відносній точності біля 10⁻³ для центральної області датчика. Положення пучку вимірюються за допомогою електростатичних кнопкових датчиків. Робочі характеристики датчиків положення пучку є індивідуальними для кожного екземпляру, одержуються на прецизійних стендах та аппроксимуються аналітичними функціями. В роботі розглянуто різні методи апроксимації робочих характеристик та знайдено варіант, що дозволяє зменшити похибку апроксимації в десятки разів в зрівнянні с традиційним методом. В специализированных накопителях необходимо измерять положение пучка с абсолютной точностью до 10 мкм, что соответствует относительной точности около 10⁻³ для центральной области датчика. Положение пучка обычно измеряется с помощью электростатических кнопочных датчиков. Рабочие характеристики датчиков положения пучка являются индивидуальными для каждого экземпляра, снимаются на прецизионных стендах и аппроксимируются аналитическими функциями. В работе рассмотрены различные методы аппроксимации рабочих характеристик и найден вариант, позволяющий уменьшить погрешность аппроксимации в десятки раз по сравнению с традиционным методом.
first_indexed 2025-12-07T15:58:57Z
format Article
fulltext APPROXIMATIONS OF OPERATING CHARACTERISTICS OF THE ELLIPTIC CROSS-SECTION BEAM POSITION MONITORS V.E. Ivashchenko, I.M. Karnaukhov, V.I. Trotsenko, A.A. Shcherbakov National Science Center “Kharkov Institute of Physics and Technology” Akademicheskaya St, 1, Kharkov, UA-61108, Ukraine E-mail: shcherbakov@kipt.kharkov.ua In the specialized storage rings it is necessary to measure a position of a beam with an absolute accuracy up to 10 µm that corresponds to a relative accuracy about 10-3 for the central region of a monitor. The position of a beam is usually measured with the help of electrostatic button monitors. Operating characteristics of a beam position monitor are individual for each copy, are measured on precision benches and approximated by analytical functions. In the paper the various methods of approximation of operating characteristics are considered and the variant allowing one to reduce an error of approximation in tens times in comparison with a traditional method is found. PACS: 29.20.-c, 29.27.Fh, 02.30.Mw The operating characteristics (OC) of a four- electrode beam position monitor (BPM) (Figure) measured on the bench look like: ),,,( 43211 kkkkbk uuuufx = , (1) ),,,( 43212 kkkkbk uuuufy = , (2) where xbk, ybk are the coordinates of the beam imitator; kkkk uuuu 4321 ,,, are the signals measured on the appropriate electrodes; k is the number of the measured point in the selected region of the BPM aperture. The set data obtained allows to approximate OC of BPM power polynomials or empirically picked out elementary functions. The position of a beam defined with the help of approximating functions will have an error containing an error of work of a mechanical drive of the bench, an error of measurement of signals on electrodes, an error of a method of approximation of operating characteristics. U1U2 U3U4 Beam Y X yb xb imit. The layout of the BPM cross-section In this work the possibility of discovering of functions that would have minimum errors of approximation of OC of BPM is studied. The study is carried out by simulation of bench measurement of OC of BPM. The model of a monitor for the storage ring N- 100M [1] in the form of an ellipse was considered. Its geometrical parameters: major axis - 100 mm, minor axis - 30 mm, coordinates of the center of electrodes xe= ±14.4 mm, ye=±14.36 mm, size of electrodes - 5 mm, electric capacity of an electrode - 4 pF. The values of monitor signals were calculated with the help of the formulas defined in [2]. The signals on BPM electrodes in the elliptical coordinates are: ]};sin sinh sinsinh cos cosh coscosh [sin2{2 200 1 d d bb d d bb n bd n n nnn n nn n n cC liu ν µ νµν µ νµψψ π + ×+= ∑ = (3) where d=1,2,3,4 - number of an electrode, ib – current of a beam imitator, 2l - longitudinal size of an electrode, c – velocity of light, C – capacity of an electrode, µb -radial coordinate of beam imitator, νb - angular coordinate of beam imitator, 2ψ - angular size of electrodes, µd – radial coordinate of an electrode, νd - angular coordinate of an electrode. Elliptic coordinates are expressed through the Cartesian coordinates as follows: 2 222222222 2 4)( arccos a axyxayxa h −+++++ =µ (4) 2 222222222 2 4)( arccos a axyxayxa −++−++ =ν (5) where 2a is the distance between focuses. Formulas are true for |x|<a. To optimize the functions approximating OC, they are found as: ( ),,1 ggb VHx Φ= (6) ( ).,2 ggb VHy Φ= (7) Arguments Hg and Vg represent the normalized linear combinations of the measured signals of BPM. Research was carried out for four variants of definition of arguments Hg and Vg (g=1,2,3,4): 4321 4321 1 4321 4231 1 , uuuu uuuu V uuuu uuuu H +++ −−+ = +++ −−+ = (8)       + − + + − =      + − + + − = 32 32 41 41 2 23 23 41 41 2 2 1, 2 1 uu uu uu uu V uu uu uu uu H (9)       + − + + − =      + − + + − = 42 42 31 31 3 43 43 21 21 3 2 1, 2 1 uu uu uu uu V uu uu uu uu H (10) ___________________________________________________________ PROBLEMS OF ATOMIC SIENCE AND TECHNOLOGY. 2004. № 2. Series: Nuclear Physics Investigations (43), p.108-110. 108 mailto:shcherbakov@kipt.kharkov.ua       + − + + − =      + − + + − = 42 42 31 31 4 23 23 41 41 4 2 1, 2 1 uu uu uu uu V uu uu uu uu H (11) The first variant (traditional) has obtained rather wide application in practice [3,4], the second one was proposed in [5], but the propagation was not found, the third and the fourth ones are considered for the first time. Research was carried out in the assumption of an ideally symmetric BPM. It has allowed obtaining the simplified form of approximating functions. Approximation of operating characteristics (6), (7) was carried out by polynomials up to 7-th order ∑ ∑ = = +− +−= M m m n n g nm gnnmb VHAx 0 0 2122 2,122 , (12) ∑ ∑ = = +− +−= M m m n n g nm gnnmb HVBy 0 0 2122 2,122 , (13) and by the empirically picked out expression ][ ][ 0 0 2122 2,122∑ ∑ = = +− +−⋅+ +⋅= M m m n n g nm gnnm gb VHESinhD HArcTanhCx , (14) for which М=3. Coefficients A, B, C, D, E were calculated with the fitting carried out by the method of least squares. Since the accuracy of approximation depends on the distance from the beam up to the center of BPM, the simulation was carried out for two monitor regions: 1 (central) region with dimensions |x|≤10mm, |y|≤5), and II (far) region with dimensions |x|≤40mm, |y|≤7mm. In each region of BPM the coefficients of expressions (12), (13), (14) were calculated for 4 variants of definition of arguments (8), (9), (10), (11). The data set was calculated with 1 mm step for both regions. Results of simulation were estimated by the relative root-mean-square errors of approximation averaged on fixed region as follows:             ′ ′− = ∑ = n k bk bkbk x n x xx 0 2 /σ , (15)             ′ ′− = ∑ = n k bk bkbk y n y yy 0 2 /σ , (16) where bkx , bky - true values of beam coordinates assigned in the calculation of signals by formulas (3), (4), (5); bkx ′ , bky ′ - beam coordinates calculated by formulas (12),(13),(14) for the corresponding true Hgk and Vgk, k – number of the point for which the error was calculated, n – quantity of the calculated points. Calculations were carried out with a 0.9 mm step on both coordinates. Results of calculations are given in Table 1. From the results obtained it is seen that for the central region of BPM the best approximation of OC (6) is provided with expressions (14), (11) and the best approximation of OC (7) is provided with expressions (13), (11). The corresponding errors of the approximation are equal to σx=1.2×10-5, σy=1.9×10-4 while the traditional approximation method (the formulas (12), (13) (8)) has greater errors σx=1.7×10-3, σy=7.8×10-4. In the far region of BPM the best results is obtained with using formulas (14), (10) - σx=5.2×10-2 and formulas (13), (9) - σy=0.4. The traditional approximation method has greater errors σx=0.3, σy=0.45. One can see, that the error of approximation of OC (7) less σy=0.4 cannot be obtained for the far region of BPM. Presumably, it is caused by the form of the monitor that is very extended along the axis X. To be convinced of this supposition the approximation of OC of BPM for the storage ring ISI-800 [6] was carried out. The BPM of ISI-800 has the following geometrical parameters: cross-section - elliptic, the big axis - 60 mm, a small axis - 36 mm, distance between of centers of electrodes along X axis - 22.86 mm and along Y axis - 32.86 mm, diameter of electrodes - 5 mm. The results of calculations are given in Table 2 with the indication of used formulas. Approximations of OC of the ISI-800 monitor in region 1 have errors comparable with the corresponding errors of the N-100M monitor. Approximations of OC (7) by expression (13) in region II have errors σ y=(5.2...6.2)×10-2, that confirms the supposition expressed above about a negative influence of the very extended form of a monitor on the accuracy of approximation. The method of estimation of errors of approximating functions also allows analyzing a possibility to lower an order of polynomials being used. Calculations of errors for the central region of N-100М BPM are brought together in Table 3 at approximation of OC by polynomials up to 7-th, 5-th, 3-rd and 1-st orders. Traditionally used formulas (12), (13), (8) and the formulas giving the best results (13), (14), (11) are considered for comparison. From Table 3 the obvious advantage of the method of approximation of OC (6) and (7) by expressions (13), (14), (11) is visible in comparison with the traditional method at equal orders of polynomials. Use of this method of approximation enables one to apply into practice the polynomials of lower orders (5-th or even 3-rd) with a required error about 10-3. The carried out simulation and the analysis of the obtained results have shown that the approximation of operating characteristics of elliptic cross-section BPM is fulfilled most precisely by the method using expressions (13), (14), (11) for the central region of a monitor and for optimal chosen far region of a monitor. The above- mentioned method allows fulfilling precision measurements in the center of the monitor using the approximation of OC by polynomials of 5-th order. The form of the monitor very much extended along the axis X increases the errors of approximation of OC, especially the error of characteristic of a beam displacement along the axis Y in the far region. ___________________________________________________________ PROBLEMS OF ATOMIC SIENCE AND TECHNOLOGY. 2004. № 2. Series: Nuclear Physics Investigations (43), p.108-110.109 In conclusion the authors thank Dr. A. Mytsykov for useful advises and the discussion of results of this work. Table 1. Average errors of different approximation methods of OC of N-100M BPM Region of cross-section BPM Number of formula σx (12) σy (13) σx (14) 1 -10≤x≤10 -5≤y≤5 (8) 0.001696 0.000788 0.000264 (9) 0.001057 0.001542 0.000015 (10) 0.001173 0.000226 0.000145 (11) 0.001044 0.000195 0.000012 II -40≤x≤40 -7≤y≤7 (8) 0.304776 0.451419 0.181716 (9) 0.420346 0.406421 0.074058 (10) 0.298039 0.478659 0.052067 (11) 0.285599 0.476832 0.063378 Table 2. Average errors of different approximation methods of OC of ISI-800 BPM Region of cross-section BPM Number of formula σx (12) σy (13) σx (14) 1 -10≤x≤10 -5≤y≤5 (8) 0.000646 0.000385 0.000511 (9) 0.000431 0.000522 0.000021 (10) 0.000469 0.000195 0.000111 (11) 0.000390 0.000186 0.000015 II -23≤x≤23 -10≤y≤10 (8) 0.100030 0.059887 0.042760 (9) 0.062090 0.062081 0.010127 (10) 0.079737 0.059247 0.021223 (11) 0.062902 0.052716 0.009328 Table 3. Average errors of approximation of OC for central region of N -100М BPM Order of polynomials Number of formula σx (12) σy (13) σx (14) 7–order, M=3 (11) - 0.000195 0.000012 5–order, M=2 (11) - 0.000876 0.000087 3–order, M=1 (11) - 0.004655 0.000766 1-order, M=0 (11) - 0.075856 0.002039 7–order, M=3 (8) 0.001696 0.000788 - 5–order, M=2 (8) 0.006095 0.001869 - 3–order, M=1 (8) 0.034405 0.021693 - 1-order, M=0 (8) 0.140973 0.208716 - REFERENCES 1. P. Gladkikh, I. Karnaukhov, A. Zelinsky. Intense X- Ray Sources Based on Compton Scattering in Laser Electron Storage Ring // VANT. Series: Nuclear Physics Research (40). 2002, №2, p.72-74. 2. A. Zelinsky, I. Karnaukhov, V. Lyashchenko, V. Trotsenko // VANT. Series: Nuclear Physics Research. 1999, №1, p.73-79 (in Russian). 3. Eva S. Bozoki. Determination of Beam Position from Induced Electric Signals // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A 307. 1991, p. 195-206. 4. K.Ye, L. Ma and H. Huang. The Calibration of BEPC Beam Position Monitors. // Proceedings of 8-th Beam Instrumentation Workshop, May 4-7, 1998, SLAC, Stanford, CA. 5. J. Borer and C. Bovet. Diagnostics // CERN/LEP- BI/84-14, Geneva, October 1984. 6. I. Karnaukhov, E. Bulyak, S. Kononenko, A. Shcherbakov, A. Tarasenko, A. Zelinsky. Progress of the ISI-800 Project. // Particle Accelerator Conference and International Conference on High- Energy Accelerators, 1-5 May 1995; Dallas, Texas, USA. АППРОКСИМАЦИИ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ ПОЛОЖЕНИЯ ПУЧКА ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ В.Е. Иващенко, И. M. Карнаухов, В.И. Троценко, A.A. Щербаков В специализированных накопителях необходимо измерять положение пучка с абсолютной точностью до 10 мкм, что соответствует относительной точности около 10-3 для центральной области датчика. Положение пучка обычно измеряется с помощью электростатических кнопочных датчиков. Рабочие характеристики датчиков положения пучка являются индивидуальными для каждого экземпляра, снимаются на прецизионных стендах и аппроксимируются аналитическими функциями. В работе рассмотрены различные методы аппроксимации рабочих характеристик и найден вариант, позволяющий уменьшить погрешность аппроксимации в десятки раз по сравнению с традиционным методом. АППРОКСИМАЦІЯ РОБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКІВ ПОЛОЖЕННЯ ПУЧКУ ЕЛІПТИЧНОГО ПОПЕРЕЧНОГО ПЕРЕРІЗУ В.Є. Іващенко, І. M. Карнаухов, В.І. Троценко, О.О. Щербаков В спеціалізованих нагромаджувачах необхідно виміряти положення пучку з абсолютною точністю до 10 мкм, що відповідає відносній точності біля 10-3 для центральної області датчика. Положення пучку вимірюються за допомогою електростатичних кнопкових датчиків. Робочі характеристики датчиків положення пучку є індивідуальними для кожного екземпляру, одержуються на прецизійних стендах та аппроксимуються аналітичними функціями. В роботі 110 розглянуто різні методи апроксимації робочих характеристик та знайдено варіант, що дозволяє зменшити похибку апроксимації в десятки разів в зрівнянні с традиційним методом. ___________________________________________________________ PROBLEMS OF ATOMIC SIENCE AND TECHNOLOGY. 2004. № 2. Series: Nuclear Physics Investigations (43), p.108-110.111 V.E. Ivashchenko, I.M. Karnaukhov, V.I. Trotsenko, A.A. Shcherbakov 1 II 1 II В.Е. Иващенко, И. M. Карнаухов, В.И. Троценко, A.A. Щербаков В.Є. Іващенко, І. M. Карнаухов, В.І. Троценко, О.О. Щербаков
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79360
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1562-6016
language English
last_indexed 2025-12-07T15:58:57Z
publishDate 2004
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format dspace
spelling Ivashchenko, V.E.
Karnaukhov, I.M.
Trotsenko, V.I.
Shcherbakov, A.A.
2015-03-31T14:39:33Z
2015-03-31T14:39:33Z
2004
Approximations of operating characteristics of the elliptic cross-section beam position monitors / V.E. Ivashchenko, I.M. Karnaukhov, V.I. Trotsenko, A.A. Shcherbakov // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 2. — С. 108-110. — Бібліогр.: 6 назв. — англ.
1562-6016
PACS: 29.20.-c, 29.27.Fh, 02.30.Mw
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79360
In the specialized storage rings it is necessary to measure a position of a beam with an absolute accuracy up to 10 µm that corresponds to a relative accuracy about 10⁻³ for the central region of a monitor. The position of a beam is usually measured with the help of electrostatic button monitors. Operating characteristics of a beam position monitor are individual for each copy, are measured on precision benches and approximated by analytical functions. In the paper the various methods of approximation of operating characteristics are considered and the variant allowing one to reduce an error of approximation in tens times in comparison with a traditional method is found.
В спеціалізованих нагромаджувачах необхідно виміряти положення пучку з абсолютною точністю до 10 мкм, що відповідає відносній точності біля 10⁻³ для центральної області датчика. Положення пучку вимірюються за допомогою електростатичних кнопкових датчиків. Робочі характеристики датчиків положення пучку є індивідуальними для кожного екземпляру, одержуються на прецизійних стендах та аппроксимуються аналітичними функціями. В роботі розглянуто різні методи апроксимації робочих характеристик та знайдено варіант, що дозволяє зменшити похибку апроксимації в десятки разів в зрівнянні с традиційним методом.
В специализированных накопителях необходимо измерять положение пучка с абсолютной точностью до 10 мкм, что соответствует относительной точности около 10⁻³ для центральной области датчика. Положение пучка обычно измеряется с помощью электростатических кнопочных датчиков. Рабочие характеристики датчиков положения пучка являются индивидуальными для каждого экземпляра, снимаются на прецизионных стендах и аппроксимируются аналитическими функциями. В работе рассмотрены различные методы аппроксимации рабочих характеристик и найден вариант, позволяющий уменьшить погрешность аппроксимации в десятки раз по сравнению с традиционным методом.
In conclusion the authors thank Dr. A. Mytsykov for useful advises and the discussion of results of this work.
en
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
Вопросы атомной науки и техники
Элементы ускорителей
Approximations of operating characteristics of the elliptic cross-section beam position monitors
Аппроксимація робочих характеристик датчиків положення пучку еліптичного поперечного перерізу
Аппроксимации рабочих характеристик датчиков положения пучка эллиптического поперечного сечения
Article
published earlier
spellingShingle Approximations of operating characteristics of the elliptic cross-section beam position monitors
Ivashchenko, V.E.
Karnaukhov, I.M.
Trotsenko, V.I.
Shcherbakov, A.A.
Элементы ускорителей
title Approximations of operating characteristics of the elliptic cross-section beam position monitors
title_alt Аппроксимація робочих характеристик датчиків положення пучку еліптичного поперечного перерізу
Аппроксимации рабочих характеристик датчиков положения пучка эллиптического поперечного сечения
title_full Approximations of operating characteristics of the elliptic cross-section beam position monitors
title_fullStr Approximations of operating characteristics of the elliptic cross-section beam position monitors
title_full_unstemmed Approximations of operating characteristics of the elliptic cross-section beam position monitors
title_short Approximations of operating characteristics of the elliptic cross-section beam position monitors
title_sort approximations of operating characteristics of the elliptic cross-section beam position monitors
topic Элементы ускорителей
topic_facet Элементы ускорителей
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79360
work_keys_str_mv AT ivashchenkove approximationsofoperatingcharacteristicsoftheellipticcrosssectionbeampositionmonitors
AT karnaukhovim approximationsofoperatingcharacteristicsoftheellipticcrosssectionbeampositionmonitors
AT trotsenkovi approximationsofoperatingcharacteristicsoftheellipticcrosssectionbeampositionmonitors
AT shcherbakovaa approximationsofoperatingcharacteristicsoftheellipticcrosssectionbeampositionmonitors
AT ivashchenkove approksimacíârobočihharakteristikdatčikívpoložennâpučkuelíptičnogopoperečnogopererízu
AT karnaukhovim approksimacíârobočihharakteristikdatčikívpoložennâpučkuelíptičnogopoperečnogopererízu
AT trotsenkovi approksimacíârobočihharakteristikdatčikívpoložennâpučkuelíptičnogopoperečnogopererízu
AT shcherbakovaa approksimacíârobočihharakteristikdatčikívpoložennâpučkuelíptičnogopoperečnogopererízu
AT ivashchenkove approksimaciirabočihharakteristikdatčikovpoloženiâpučkaélliptičeskogopoperečnogosečeniâ
AT karnaukhovim approksimaciirabočihharakteristikdatčikovpoloženiâpučkaélliptičeskogopoperečnogosečeniâ
AT trotsenkovi approksimaciirabočihharakteristikdatčikovpoloženiâpučkaélliptičeskogopoperečnogosečeniâ
AT shcherbakovaa approksimaciirabočihharakteristikdatčikovpoloženiâpučkaélliptičeskogopoperečnogosečeniâ