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やすはるよしなが
5 years ago
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1 STF 空洞の ERL への適用に関する BBU の計算目的 ( 経緯 ) と方法羽島氏の計算との比較 6GeV STF 空洞をERLに適用した場合の結果 HOM parameterの単純な置き換え HOM Randomizationを考慮した場合 HOMを増やした場合増やしたHOMの場合のRandomizationの結果 TE iris modeの考慮 ERL 空洞の場合で20MHzまで延長した結果まとめ Kirk 1

2 目的 ( 経緯 ) 目的 ( 経緯 ) と方法山口主幹よりSTF 空洞をERLに適用した場合のHOM BBUの計算を依頼される ( 昨年 11 月頃 ) 実際に置き換えた場合にどれほどのビーム電流が見込めるか? を検証する特に HOM Randomizationが1MHzの場合に100mA に到達できるかどうかを検証する方法 Cornell 大学のIvan Bazarov 氏の開発したbi (Beam Instability Code) を用いて計算する JAEAの羽島氏がKEK Report ( コンパクトERLの設計研究 ) で行ったプログラムを借用する羽島氏のプログラム中ではHOMやOptics 条件を定義すると自動的にbiの初期条件として組み込めるようになっている実行スクリプトは Perl で行っている 2

3 bi とは何か? Cornell 大学のIvan Bazarov 氏により開発されたコード関連ホームページは以下の通り bi に関するホームページ Ivan Bazarov 氏のホームページこのページに置いてあるドキュメントを読むとユーザーは以下のパラメータを自分で決めてその後 bi を走らせよという説明書きがある Parameter file beam energy, beam current など Lattice file 6x6 transfer matrix の各成分 HOM data file( 今回の計算で変更する箇所 ) R/Q, Q, f, polarization (0 or 90 ) 3

4 様々な BBU 計算コード BBU の計算にはすでに以下のようなコードが用意されている Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 557 (2006) より BBU-R (JAERI) TDBBU (J-lab) New Code (J-Lab) bi (Cornell Univ.) MATBBU (J-Lab) 4

5 羽島氏のプログラムの内容羽島氏のプログラム (C 言語 ) では bi の初期条件である Lattice データを計算し HOM などの他のパラメータと共に入力ファイルとして用意するようになっている Lattice データは手で打ち込むには膨大のため実行スクリプトは Perl で HOM Randomization はこの中で行っている HOM のばらつき具合をガウス分布とし幅 σ を少しずつ変更させながら各 σ 毎に 10 回ずつ計算を行うようになっている ( ガウス分布のサンプル数が 10 個ということ ) ガウス分布の ±1σ に 66% が含まれることを考えると 10 回というのは少ないように思われるが計算が長時間かかるためとりあえず 10 回としているようである 5

6 羽島氏の計算結果との比較 STF 空洞のERLへの適用についての計算を行う前に羽島氏が以前行った計算と同じ結果が得られるかどうかをまず行った具体的にはコンパクトERLの設計研究のp.125~126に載っている図 3.33, 図 3.34, 図 3.35が再現するかどうかを確認した結果は次ページ以降に載せてあるが図 3.33 及び図 3.35は羽島氏の結果と一致した図 3.34のクロスチェックは羽島氏が多忙のため行っていない ( 図 3.34の計算は他の二つに比べて時間がかかる ) ただし羽島氏が以前行った計算はbi 中の計算精度を決めるパラメータがデフォールトの0.1% から5% に上げて行っていたため ( マシンパワーが非力であったことによる ) 以前の結果とは異なっているが再度羽島氏により計算が行われ最新の結果が得られている 6

7 羽島氏の計算結果との比較 1 図 3.33 羽島氏による再計算の結果赤丸は Kirk による結果掲載されている元々の計算結果両者ともに良く一致している 7

8 羽島氏の計算結果との比較 2 図 3.34 赤丸は Kirk による結果羽島氏による再計算の結果? 図 3.34に掲載されている結果は羽島氏から頂いたファイルには無かった代わりに別の条件下で行われたと思われる結果がありそれが黒点のプロットである Kirkによる結果 ( 赤点 ) はむしろ元々の計算結果に近いように見える 8

9 羽島氏の計算結果との比較 3 図 3.35 黒い線と緑の線は羽島氏による結果赤丸と青丸は Kirk による結果 8cavities, 170MeV 4cavities, 70MeV 両者ともに良く一致している 9

10 以上で羽島氏の計算との照合は無事終了したことにしていよいよ STF 空洞の ERL への適用についての計算を行なうことにした 10

11 STF 空洞を ERL に適用した場合計算の手順 1 6つのHOMのパラメータを入れ替えてみる 2 6つのHOMの場合でRandomizationを行ってみる 3HOMの数を増やしてみる 4 増やしたHOMの場合でRandomizationを行ってみる ( 失敗 ) 5 TESLAのHOMパラメータで行ってみる 6 TESLAのHOM Randomizationを行ってみる ( 失敗 ) 7 STF 空洞にTESLAのTE-iris modeを追加してみる (7 HOMs) 8 7の場合のHOM Randomizationを行ってみる 9HOM Randomization8で10MHzまでの計算を行ってみる 10HOM Randomization8で繰り返しを20 回にしてみる 11

12 計算に使用した PC のスペックと計算時間 Specification (CPU / Memory) PC1 AMD Opteron Processor 248 / 2.1GB PC2 Dual-Core AMD Opteron Processor 2222 / 4.1GB Test # Calculated time [sec] not finished not finished not finished not finished Not recorded Test4 だけは HOM のパラメータが多すぎるのか計算が途中終了し最後まで行えなかった 12

13 HOM のパラメータを入れ替える梅森氏より f [GHz] R/Q [Ω] Q x x x x x x10 3 羽島氏の計算で使われていたHOM 加古氏と渡邉氏より f [GHz] R/Q [Ω] Q x x x x x x10 5 STF 空洞の R/Q はビーム軸から 20mm のところで MAFIA で計算した ( ビームパイプの半分のところ ) f と Q は S1-Global における 4K 冷却時のネットワークアナライザによる測定値でインピーダンスの高い順に 6 つ選んである HOM は TM 110 または TE 111 である TE iris mode は含まれていない 13

14 計算結果 1 図 3.33 と同様の計算を行ってみる 6 個の HOM の場合 18 個の HOM の場合 (TM 110 と TE 111 の全て ) 比較的インピーダンスの低い HOM の数を増やしても計算結果にはあまり影響を与えないようである計算時間が長くなるだけであまり意味が無いため今後は前出の 6 個の HOM のみ考慮することにする TE iris mode は含まれていない 14

15 計算結果 2 図 3.33 との比較羽島氏による再計算の結果赤丸は Kirk による結果掲載されている元々の計算結果 STF 空洞を用いた場合の計算結果 TE iris mode は含まれていない 15

16 HOM Randomization の入れ方あるHOM 周波数 ( 複数可 ) を中心としてある幅 σを持ったガウス分布でhom 周波数を振ってbiの計算を行う各 σにおける計算回数はdefaultで10 回となっているこの回数が十分であるかどうかは要検討この各点が 10 個ずつあるということ HOM 周波数の幅 σ に相当 16

17 計算結果 3 図 3.34 との比較 STF 空洞を用いた場合の結果 ( インピーダンスの高い 6 個の HOM を使用 ) は Kirk による元々の結果 1MHz で 100mA は超えているようである 1MHz 以上では threshold current はサチっているように見える TE iris mode は含まれていない 17

18 計算結果 4 図 3.34 との比較は Kirk による元々の結果 STF 空洞を用いた場合の結果目標の 100mA には到達していない ( インピーダンスの高い 6 個の HOM に TE iris mode を追加ただしパラメータは TESLA のもの ) STF 空洞はエンドセルが対称のため TE iris modeのdampingはさらにきつく Q ext で一桁以上高くなるものと推測されている 18

19 計算結果 5 STF 空洞を用いて 10MHz まで延長した場合の結果 19

20 ERL 空洞を用いた再計算の続き計算の手順 1 ERL 空洞の場合で20MHzまで延長してみる 2 ERL 空洞の場合で繰り返しを50 回にしてみる Specification (CPU / Memory) Test # PC1 AMD Opteron Processor 248 / 2.1GB PC2 Dual-Core AMD Opteron Processor 2222 / 4.1GB Calculated time [sec]

21 ERL 空洞を用いた再計算の続き 1 ERL 空洞を用いて 20MHz まで延長した場合の結果黒点は元々の計算範囲 21

22 ERL 空洞を用いた再計算の続き 2 ERL 空洞を用いた場合の繰り返し数を変えた結果 10 回 ( 赤点 ) と 50 回 ( 黒点 ) の比較 22

23 羽島氏の資料より TE-iris mode TE-iris mode は STF 空洞の計算では考慮されていない 23

24 羽島氏の資料より 24

25 羽島氏のスライドに書かれてある (R t /Q)*Q ext /f HOM を比較してみる 1 STF 空洞の場合ここに R t /Q の単位は [Ω/m 2 ] で (R/Q)*k 2 =R t /Q の関係にある f HOM [GHz] R/Q [Ω] Q ext R t /Q [Ω/m 2 ] (R t /Q)*Q ext /f HOM [Ω/m 2 /Hz] x x x x x x x x x x x x STF 空洞の bi の計算では TE-iris mode が考慮されていないため threshold current が TESLA の場合に比べて高めに出る傾向にある 25

26 羽島氏のスライドに書かれてある (R t /Q)*Q ext /f HOM を比較してみる 2 ここにR t /Qの単位は[Ω/m 2 ] で (R/Q)*k 2 =R t /Qの関係にある ERL 空洞の場合 f HOM [GHz] R/Q [Ω] Q ext R t /Q [Ω/m 2 ] (R t /Q)*Q ext /f HOM [Ω/m 2 /Hz] x x x x x x x x x x x x TE-iris mode 26

27 羽島氏のスライドに書かれてある (R t /Q)*Q ext /f HOM を比較してみる 3 ここにR t /Qの単位は[Ω/m 2 ] で (R/Q)*k 2 =R t /Qの関係にある TESLA 空洞の場合 f HOM [GHz] R/Q [Ω] Q ext R t /Q [Ω/m 2 ] (R t /Q)*Q ext /f HOM [Ω/m 2 /Hz] x x x x x x x x x x TE-iris mode 27

28 まとめ bi 及び羽島氏のプログラムを用いて STF 空洞をERLに適用した場合のHOM BBU について計算した羽島氏が以前行った計算結果との比較を行いお互いの結果がよく一致していることを確認したまた計算精度を高めて再計算を行った結果 threshold current が高い方にずれることも確認した STF 空洞をERLに適用するにあたり 6つのHOMのパラメータを入れ替えて計算を行ったそれ以上 HOMの数を増やしても計算結果はあまり変わらなかったただし TE-iris modeはstf 空洞におけるRFパラメータが不明なため考慮されていなかったが考慮して再計算を行った STF 空洞をERLに適用した場合のHOM Randomizationの計算を行ったところ 1MHzで100mA 超のthreshold currentを得たただし最も主要なファクターであると思われるTE-iris modeは考慮されていなかったが考慮して再計算を行ったところ 60mA 超のthreshold currentを得た 1MHz 以上ではサチっているようである ERL 空洞のHOM Randomizationの計算を20MHzまで延長して行った 28

Microsoft PowerPoint - 島田美帆.ppt

Microsoft PowerPoint - 島田美帆.ppt コンパクト ERL におけるバンチ圧縮の可能性に関して分子科学研究所,UVSOR 島田美帆日本原子力研究開発機構,JAEA 羽島良一 Outline Beam dynamics studies for the 5 GeV ERL 規格化エミッタンス 0.1 mm mrad を維持する周回部の設計 Towards user experiment at the compact ERL Short bunch