Frequency Map Analysis of the MAX IV Storage Rings

Abstract

As a beam of particles moves through a storage ring each particle will perform transverse oscillations as a result of the focusing magnetic fields it encounters. The amount of transverse oscillations performed in a single revolution of the ring is known as the particle's betatron tune. The goal of this project was to investigate the tunes by instigating an oscillation using a short-lived, strong magnetic field to cause a disturbance to the entire beam. This was performed and positional data was collected throughout the ring. This data, and its oscillating patterns, was analyzed using an algorithm similar to a Fourier transform in order to find the beam's tune. Furthermore, investigating the tune's change between turns traveled in the storage ring allowed for a rough measurement of the beam's stability. The resulting frequency maps, maps of the betatron tune in the two transverse planes, showed the effect on the beam when it is situated at certain tunes. This provides insight into areas of tune to avoid or seek out during operations. The project was successful in creating these maps, although further studies into areas of interest within the results could be advantageous.

Popular Abstract (Swedish)

MAX IV i Lund är en världsledande forskningsanläggning. Acceleratorn vid anläggning är en mycket speciell form av accelerator, en synkrotron. Elektroner som färdas nära ljusets hastighet utnyttjas för att utvinna något av det mest starka och intensiva ljus som kan bildas, synkrotronljus.
Grundprincipen bakom en synkrotron utnyttjar elektromagnetiska grundlagar för att bilda ljus, fotoner, med hjälp av laddade partiklar accelererade till extremt höga hastigheter. När dessa partiklars bana sedan böjs kommer de att avge ljus. För att få partiklarna att nå och bibehålla sådana hastigheter som behövs utnyttjas en partikelaccelerator, så som MAX IV i Lund. Partiklar accelereras i en tunnel under jorden och förvaras sedan i en ring av magneter och vakuumrör som bibehåller den höga energin. Här förs partiklarna till “strålrör” där synkrotronljuset extraheras och utnyttjas av forskare till varierande ändamål. När partiklarna rör sig längs den cirkulära banan påbörjar de transversala oscillationer. Hur många oscillationer partiklarna genomför på en rotation av ringen kallas för deras “ton”.
Detta projekt utgår på att störa partiklarnas bana med ett magnetiskt fält, sedan studera oscillationerna deras bana utför p.g.a. störningen, framförallt deras ton och hur de olika tonerna påverkar partiklarnas stabilitet. Om tonen passerar specifika värden, “resonanser”, sker det att partiklarnas bana blir instabil. En karta över dessa resonanser kan synas i bilden nedan. Detta kan orsaka många olika problem, som att partiklar slår i sidorna av vakuumröret och förloras, eller bara att skakningarna stör mätningar som forskare håller på med. Sådana typer av förluster kostar både tid och pengar för anläggningen, och en undersökning av hur tonerna påverkas av olika störningar kan hjälpa att undvika förluster.
Efter en initial störning med hjälp av starka magnetfält samlades positionell data in med hjälp av “Beam Positional Monitors”, BPMs, längs med hela ringen och vid varje varv. Denna data får alltså ett oscillerande mönster som kunde analyseras för att utvinna partiklarnas ton. Data utvanns från båda ringarna på anläggningen, och olika resonanser kunde studeras. Utöver strålens reaktioner till både störningar och resonanser kunde även nya och för tillfället oförklarliga mönster hittas.

• author: Lundquist, Johan
• supervisor: Åke Andersson; David K Olsson
• organization: Synchrotron Radiation Research; Department of Physics
• course: FYSK02 20191
• year: 2019
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Accelerator, MAX IV, Tune, Diagnostics, Turn by turn, Frequency map, Chromaticity, Beta function, BPM, Synchrotron
• language: English
• id: 8991541
• date added to LUP: 2019-08-26 09:18:28
• date last changed: 2019-08-26 09:18:28