Measurement and compensation of betatron resonances at the CERN PS booster synchrotron

Abstract

Das CERN PS Booster Synchrotron ist der erste Kreisbeschleuniger in der Proton-Injektorkette des zukünftigen Large Hadron Colliders und verbindet den Linearbschleuniger mit dem Proton Synchrotron. Während der Injektion in den PS Booster und der frühen Beschleunigungsphase erfahren die einzelnen Teilchen im Strahl eine raumladungsbedingte Tune-Verschiebung, infolgedessen ein großer Bereich des ``Tunediagramms'' abgedeckt ist. Die Protonen verspüren daher die Wirkung zahlreicher Betatronresonanzen, die eine Vergrößerung der Schwingungsamplitude der Teilchen und in letzter Konsequenz Teilchenverluste, zur Folge hat. Um dies zu verhindern, ist eine effiziente Resonanzkompensation erforderlich. Die ständig steigende Nachfrage an Hochintensitätsstrahlen, machte eine eingehende Analyse aller relevanten Betatronresonanzen wünschenswert. Die Kombination aus schneller Elektronik, leistungsstarken Rechnern und der Normal Form Technik, ermöglicht die Bestimmung von Stärke und Phase transversaler Resonanzen auf der Basis von Strahlpositionsmessungen über viele aufeinanderfolgende Umläufe. Zu diesem Zweck wurde ein neues Meßsystem installiert. Das durchgeführte Meßprogramm gliedert sich im Wesentlichen in zwei Teile. Im Ersten wurden alle für die Standardoperation des PS Boosters relevanten Resonanzen zweiter und dritter Ordnung vermessen.<br />Mit Kenntnis der intrinsischen Resonanzstärken wurden die entsprechenden Kompensationsströme errechnet und eine effiziente Resonanzkompensation erzielt. Im zweiten Teil des Meßprogramms wurde die Leistungsfähigkeit des neuen Meßsystems ausgenutzt, um einen neuen Arbeitspunkt für den PS Booster zu analysieren. Die in diesem neuen Arbeitsbereich durchgeführten Messungen zeigten eine deutlich kleinere inhärente Resonanzanregung. Aufgrund dieser Resultate wurde der PS Booster 2004 mit dem neuen Arbeitspunkt gestartet und ein neues Kompensationsschema für diesen Arbeitspunkt entwickelt.<br />

The CERN PS Booster Synchrotron is the first circular accelerator in the proton injector chain of the future Large Hadron Collider and links the linear accelerator with the Proton Synchrotron.<br />Throughout injection into the PS Booster and early acceleration, the individual particles in the beam "see" large, fluctuating incoherent space-charge tune shifts, consequently sweeping a large area in the tune diagram and covering many resonances. Thus, the beam suffers amplitude blow-up from transverse betatron resonances and an efficient compensation is required to avoid subsequent particle losses. With the increasing demands for higher intensities and higher brightness beams, a revision of the existing working point with a general analysis of all relevant betatron resonances was needed. Modern methods allow to extract resonance driving terms from turn-by-turn beam position data. For this a new multi-turn acquisition system was installed. All second and third order resonances relevant for the operation were analysed in the PS Booster. With the knowledge of the bare machine driving terms, compensation settings for all resonances were calculated, resulting in an efficient resonance compensation. Furthermore a new, alternative working point was tested. It was found that the driving terms are significantly smaller in this area of the tune diagram than for the standard working point. The results obtained had the direct consequence of restarting the PS Booster in 2004 with the new working point. The final part of the thesis was to establish the resonance compensation scheme for this new working point.