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This thesis introduce my work on transverse and longitudinal non linear dynamics of an electron beam in ThomX, a novel X-ray source based on Compton backscattering. In this work I implemented in simulation code theoretical models to calculate transverse and longitudinal non linear dynamics under Compton back scattering. The processes studied include collective effect such as longitudinal space charge, resistive wall and coherent synchrotron radiation, intra beam scattering. I also implemented a longitudinal feedback algorithm and studied the effect of the feedback's delay in the simulation to explore its effects on beam dynamics. This code allows to perform a full 6D simulation of the beam dynamics in a ring under Compton back scattering taking into account the feedback stabilisation for the 400 000 turns (~ 20 ms) of one injection cycle. One important feature is that this simulation code can be run on a computer farm. Using this code I investigated the electrons dynamics in ThomX and the flux of scattered Compton photons. I analysed the relative contribution of each physical phenomena to the overall beam dynamics and how to mitigate their disruptive effect. As part of my work on longitudinal phase feedback I also measured and analysed properties of the ELETTRA RF cavity to be used on ThomX.

BESSY II ist eine Strahlungsquelle der dritten Generation, die vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH für Experimente mit Synchrotronstrahlung betrieben wird. Mehrere Betriebsmodi werden am BESSY II Speicherring angeboten bzw. entwickelt, um die Anforderungen der vielfältigen Nutzergemeinde zu erfüllen. Dazu gehören nicht nur ein komplexes Füllmuster im Standardnutzerbetrieb, sondern auch spezielle Betriebsmodi mit kurzen Pulsen oder das sogenannte Transverse Resonant Island Buckets Separationsschema. Die Komplexität des Füllmusters erfordert eine pulsaufgelöste Strahldiagnose für die Inbetriebnahme und zur Sicherstellung der langfristigen Qualität des Beschleunigerbetriebs. Ferner werden für den Kurzpulsbetrieb Pulslängenmessungen mit ps Auflösung benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit wird zu diesem Zweck eine neue Diagnoseplattform mit mehreren Strahlrohren aufgebaut. Jeweils ein Strahlrohr ist für transversale Strahlgrößenmessungen und für longitudinale Strahldiagnose vorgesehen. Beide Strahlrohre sind mit Messapperaturen für pulsaufgelöste Messungen ausgestattet. Hauptfokus dieser Arbeit liegen auf dem Design, der Installation und den Verbesserungen dieser Strahlrohre und den zugehörigen Meßgeräten in Kombination mit spezifischen Anwendungen in der Strahldiagnose an BESSY II. Im Allgemeinen erfordern Kopplungen zwischen Zeit- und Raumkoordinaten pulsselektive und korrelierte Detektionsmethoden mehrerer Parameter. Daher sind die longitudinale Diagnose sowie die Streak Kamera so optimiert worden, dass die direkte Abbildung des transversalen Strahlprofils möglich ist und sogar interferometrische Strahlgrößenmessungen durchführbar. Zusätzlich zur Zeitachse der Streak Kamera kann entweder die horizontale oder die vertikale Dimension des Strahls abgebildet werden und dadurch sind 2D-Messungen möglich. Mit dieser Methode wurden mehrere pulsaufgelöste 2D-Messungen durchgeführt und Analysemethoden entwickelt. / BESSY II is a third generation light source operated by the Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH for experiments with synchrotron radiation. Multiple operation modes are offered or are under development at the BESSY II storage ring to serve the needs of its diverse user community. This does not only include a complex fill pattern in standard operation, but also special operation modes featuring short pulses or the new transverse resonant island buckets separation scheme. The complexity of the fill pattern requires bunch-resolved diagnostics for commissioning and to ensure the long-term quality of accelerator operation. In addition, short pulse operation demands bunch length measurements with ps resolution. For this purpose a new diagnostics platform featuring multiple beamlines is set up. One beamline is dedicated for transverse beam size measurements and one for longitudinal diagnostics. Both beamlines are equipped with fast gated devices for bunch-resolved measurements. Design, installation and improvements of these beamlines and the measuring devices are the main focus of this work, together with specific BESSY II bunch diagnostics applications. In general, coupling between time- and space-coordinates do call for bunch-selective and correlated multi-parameter detection methods. Thus, the longitudinal diagnostics beamline and the streak camera have been made capable of direct transverse beam-profile imaging and even interferometric beam size measurements are feasible. Either the horizontal or vertical beam dimension can be imaged in addition to the time axis of the streak camera and 2D measurements are possible. Taking advantage of these capabilities, multiple bunch-resolved 2D measurements have been performed and analysis methods have been developed.

Ce document présente mon travail sur la dynamique transverse et longitudinale non linéaire d'un faisceau d'électrons dans ThomX, une nouvelle source de rayons X basée sur la rétrodiffusion Compton. Au cours de ce travail j'ai développé un code de simulation contenant les modèles théoriques pour calculer la dynamique non linéaire transverse et longitudinale sous l'influence de rétrodiffusion Compton. Les processus étudiés incluent les effets collectifs tels que la force de charge d'espace longitudinale, les effets de la résistivité des parois, le rayonnement synchrotron cohérent et la diffusion interne au faisceau. J'ai aussi simulé un algorithme de boucle de rétroaction longitudinale et étudié l'effet de la latence de la boucle dans les simulations pour comprendre son effet sur la dynamique du faisceau. Ce code permet d'effectuer une simulation complète en 6 dimensions de la dynamique d'un faisceau dans un anneau sous l'effet de rétrodiffusion Compton en prenant en compte la stabilisation par boucle de rétroaction pour les 400 000 tours (~ 20ms) d'un cycle d'injection. L'une des fonctionnalités importantes de ce code est qu'il peut être exécuté sur une ferme d'ordinateurs. En utilisant ce code j'ai étudié la dynamique des électrons dans ThomX et le flux de photons Compton diffusés. J'ai analysé la contribution relative de chaque phénomène physique à la dynamique globale du faisceau et comment minimiser leurs effets disruptifs. Dans le cadre de mon travail sur la boucle de rétroaction sur la phase longitudinale j'ai aussi mesuré et analysé les propriétés de la cavité RF ELETTRA à utiliser sur ThomX. / This thesis introduce my work on transverse and longitudinal non linear dynamics of an electron beam in ThomX, a novel X-ray source based on Compton backscattering. In this work I implemented in simulation code theoretical models to calculate transverse and longitudinal non linear dynamics under Compton back scattering. The processes studied include collective effect such as longitudinal space charge, resistive wall and coherent synchrotron radiation, intra beam scattering. I also implemented a longitudinal feedback algorithm and studied the effect of the feedback’s delay in the simulation to explore its effects on beam dynamics. This code allows to perform a full 6D simulation of the beam dynamics in a ring under Compton back scattering taking into account the feedback stabilisation for the 400 000 turns (~ 20 ms) of one injection cycle. One important feature is that this simulation code can be run on a computer farm. Using this code I investigated the electrons dynamics in ThomX and the flux of scattered Compton photons. I analysed the relative contribution of each physical phenomena to the overall beam dynamics and how to mitigate their disruptive effect. As part of my work on longitudinal phase feedback I also measured and analysed properties of the ELETTRA RF cavity to be used on ThomX.

Die elektromagnetische Wechselwirkung der Teilchen untereinander, wie sie typischerweise in einem Strahl hoher Intensität in den CERN Beschleunigern auftritt, kann in Langzeitsimulationen nicht vernachlässigt werden. Simulationen sind insbesondere notwendig, um diese Beschleuniger zu optimieren und die zugrundeliegende kohärente und inkohärente Dynamik besser zu verstehen. Die Auswirkungen der unumgänglichen Vereinfachungen in der Modellierung der komplizierten Dynamik müssen deshalb untersucht werden. Wir gehen diese Aufgabe an, indem wir sechs verschiedene Strahlführungsmodelle am CERN Proton Synchrotron (PS) und am Super Proton Synchrotron (SPS) untersuchen, die wir dynamisch in der Nähe von horizontalen Integer-Resonanzen operieren. Die sechs Modelle, welche insgesamt in den beiden bewährten Programmpaketen MAD-X und PyOrbit implementiert sind, werden mit den jeweiligen Messungen an beiden Maschinen verglichen, wobei der Schwerpunkt hier auf dem PS liegt. / In long-term tracking simulations of high-intensity beams which are typical in the CERN accelerators, the electromagnetic interaction between the individual particles can not be neglected. Simulations are required to optimize the performance of the accelerators, and to better understand the involved coherent and incoherent dynamics. The impact due to the unavoidable simplifications when modeling the complex dynamics must therefore be studied. We approach this task by examining six different tracking models, applied to the CERN Proton Synchrotron (PS) and the Super Proton Synchrotron (SPS), both of which were dynamically operated near horizontal integer resonances. The six models, which are overall implemented in the well-known program packages MAD-X and PyOrbit, are compared to beam-based measurements on both machines, with the PS as the main emphasis.

Transverse Resonance Island Buckets (TRIBs) ist eine spezielle Einstellung der strahlführenden Magnetoptik eines Speicherrings nahe einer nichtlinearen Resonanz, die einen zweiten vom Hauptorbit gut getrennten und stabilien Orbit erzeugt. Dieser Inselorbit ist verknüpft mit zusätzlichen Potentialtöpfen im transversalen Phasenraum, in denen ebenfalls Elektronen gespeichert werden können. Wird der Speicherring als Synchrotronstrahlungsquelle genutzt, so können den Experimentatoren durch die zwei stabilien Orbits zwei unterschiedliche Lichtquellen mit z.B. unterschiedlichen Pulswiederholungsraten angeboten werden. Diese Dissertation untersucht, ob man die TRIBs Einstellung mit der deutlich komplizierteren und nichtlinear anspruchsvolleren Multi-Bend-Achromat (MBA) Magnetoptik einer vierten Generation Synchrotronstrahlungsquelle zusammen bringen kann. Ein resonanter Hamiltonian in der Nähe einer horizontalen Resonanzen dritter Ordnung, die von Sextupolen getrieben wird, abgeleitet. Dieser Hamiltonian enthält drei Parameter, die den TRIBs-Phasenraum vollständig definieren, nämlich den Abstand des Arbeitspunktes zur Resonanz, die Resonanzstärke und den "detuning-Parameter", der beschreibt wie die Resonanz auf Teilchen mit unterschiedlichen Amplituden wirkt. Durch die analytische Betrachtung der Resonanzstärke in Hinblick auf die entscheidenden Größen der Magnetoptik, d.h. die Twiss-Optikfunktionen und die Sextupolstärken zeigt sich ein unterschiedliches TRIBs verhalten für systematischen Resonanzen und nicht-systematische Resonanzen. Bei nicht-systematischen Resonanzen muss die Periodizität der Magentoptik gestört werden um TRIBs zu erzeugen. Bei systematischen Resonanzen, muss der Arbeitspunkt sowohl des Rings als auch seiner sich wiederholenden periodischen Einheitszelle die Resonanzbedingung dritter Ordnung erfüllen um TRIBs zu erzeugen. / Transverse resonance island buckets (TRIBs) is a special accelerator optics mode where the storage ring is tuned close to a nonlinear resonance and this results in the production of a secondary stable orbit, well separated from the main one. This orbit corresponds to islands in transverse phase space and it can be filled with bunches independently from the main orbit to some extent. This thesis investigates the possibility of implementing the TRIBs mode in the multi-bend achromat (MBA) lattice candidates of BESSY III right from the beginning when strong nonlinearities due to sextupole magnets are present. A resonant Hamiltonian is derived using the perturbative techniques of nonlinear dynamics, valid close to third-order horizontal resonances. This Hamiltonian contains three parameters that fully determine the structure of the phase space with islands namely the distance from the resonance in tune space, the resonance strength, and the detuning, a parameter that gives the rate at which particles with different amplitudes hit the resonance. By calculating the resonance strength analytically in terms of the lattice quantities such as the Twiss functions and the sextupole strengths, two types of resonances are revealed in a transparent manner and it is shown that close to these third-order resonances, islands can be established. The first one is the random resonance where the periodicity of the lattice needs to be broken to have islands. The need for a periodicity breaking is proved explicitly. The second type is the systematic resonance where the tunes of both the ring and its superperiod (repeating unit) need to satisfy a third-order resonance condition. These two types of resonances are studied and compared in detail and the stability of the two BESSY III lattice candidates with respect to TRIBs is discussed.