Transverse beam dynamics studies from turn-by-turn beam position monitor data in the ALBA storage ring

Abstract

LBA es una fuente de luz de sincrotrón de tercera generación, en funcionamiento desde 2011, al servicio de una comunidad científica e industrial nacional e internacional. Varios laboratorios (lineas de luz) explotan la radiación electromagnética hasta los rayos X, para una amplia gama de experimentos físicos, químicos, y biológicos. Con el fin de conseguir un elevado flujo de radiación y pequeña divergencia, el anillo de almacenamiento de electrones emplea imanes intensos distribuidos en una malla optimizada para dar forma a las características del haz de electrones. Por otra parte, los imanes pueden tener varios errores qué afectan, de forma perjudicial, a las características del haz de electrones tales como el tamaño, la divergencia o el tiempo de vida. Los errores pueden ser debidos a tolerancias de fabricación mecánica, histéresis magnética, variaciones térmicas o desalineaciones mecánicas. El delicado "equilibrio magnético" requerido para operar éstas fuentes de luz no podría cumplirse sin una herramienta para medir y corregir la malla magnética. Para este propósito, han sido desarrollados procedimientos que utilizan el haz almacenado como sonda para inspeccionar los campos magnéticos reales. Entre las distintas técnicas, las medidas "vuelta-vuelta" permiten construir un modelo de los errores magnéticos a través de la observación del movimiento transversal del haz de electrones vuelta tras vuelta. El objetivo principal de esta tesis doctoral es implementar por primera vez la técnica vuelta-vuelta en ALBA a fin de establecer las capacidades de las medidas de errores magneticos lineales y no lineales. Un primer conjunto de experimentos está dedicado a la caracterización de los errores lineales que muestra un nivel de acuerdo (beta-beat < 2%) comparable con el de otros métodos basados en medidas de órbita cerrada. Pruebas adicionales para establecer la máxima sensibilidad a pequeñas variaciónes de las funciones ópticas se has obtenido manipulando elementos magnéticos y midiendo las variaciones ópticas producidas. La técnica vuelta-vuelta se ha aplicado también a la caracterización del acoplamiento de betatrón en ALBA. Se ha observado un alto grado de precisión en la localización de la fuente de error, y sólo un 10% de desacuerdo entre las medidas de la fuerza de la fuente de acoplamiento y las predicciones teóricas. Una prueba similar también se ha llevado a cabo para las familias de sextupolos, utilizando uno shunt resistivo para cambiar de manera individual la corriente de excitación de un sextupolo. La capacidad de localizar la posición del error sextupolar ha sido demostrada con éxito. Los experimentos mostraron cómo la técnica vuelta-vuelta destaca por sensibilidad a pequeñas variaciones de las funciones ópticas. Esto hizo posible, por primera vez en una fuente de luz de sincrotrón, la aplicación de la técnica vuelta-vuelta a la medida de fuentes localizadas de impedancia transversal. El experimento, llevado a cabo en ALBA, ha permitido distinguir y caracterizar el efecto de desfocalización producido por diferentes fuentes de impedancia transversal, incluyendo elementos como el scraper, cámara de vacío de los imanes de inyección o de un ondulador y la cámara de vacío estándar. La buena concordancia entre medidas y modelo de impedancia transversal, basado en el cálculo analítico de la pared resistiva y en la simulación del código GdfidL de la impedancia geométrica, ha confirmado que la técnica vuelta-vuelta es una herramienta de diagnóstico muy sensible. Asimismo, se ha demostrado que fuentes de impedancia más pequeñas pueden ser caracterizadas adecuadamente variando la óptica de la máquina de modo de obtener una ampliación del efecto de desfocalización inducido. Este método se ha utilizado para caracterizar impedancias tan pequeñas como el de un "in vacuum undulator" de ALBA.

ALBA is a third generation light source, commissioned in 2011, serving a national and international scientific and industrial community. It provides synchrotron radiation up to the hard x-rays as a tool to multiple laboratories (beamlines) for a wide range of physical, chemical, and biological experiments. In order to achieve the required radiation flux and small divergence, the electron storage ring employs an optimized design where strong magnets are combined in a rather complex lattice to properly shape the characteristics of the electron beam. However, the lattice can have several errors, which detrimentally affect the electron beam characteristics such as size, divergence, or lifetime. Unavoidable lattice errors can be due to manufacturing mechanical tolerances, magnet hysteresis, thermal variations and/or mechanical misalignments. The delicate "magnetic equilibrium" required to operate such light sources could be hardly met without a tool to measure and correct the actual magnetic lattice. For this purpose beam-based methods, where the stored beam serves as probe to inspect the lattice, have been developed. Among the various techniques, turn-by-turn measurements allow to asses a lattice error model by sampling turn after turn the transverse motion of the beam. The main purpose of this PhD work is to implement for the first time the turn-by-turn technique at ALBA in order to establish the capabilities of the measurements in the context of linear and non-linear lattice errors. A first set of experiments was dedicated to the characterization of the linear lattice, showing a level of agreement (beta-beat < 2%), comparable to what observed with other methods based on the closed orbit technique. Further tests to establish the ultimate sensitivity to small optical functions variations were obtained by manipulating single lattice elements and measuring the resulting optics variations. Turn-by-turn technique has been applied to the characterization of coupling in the ALBA light source. The ability of turn-by-turn to correctly localize a single source of coupling was challenged by introducing in the storage ring lattice a controlled coupling source. A high degree of precision was observed in localizing the error source, and only a 10% disagreement between measurements and theoretical predictions on the coupling source strength was observed. A similar test was also carried out for the sextupole families using a resistive shunt to change the excitation current of a single element. The ability to localize the sextupolar error position in the lattice was successfully demonstrated. The experiments showed how the turn-by-turn acquisitions shine as for sensibility, enabling the detection of very small variations of the optics function. This made it possible to apply the turn-by-turn technique, for the first time in a light source, to the measurement of localized transverse impedance sources. The experiment, carried out in the ALBA storage ring, led to the characterization of the individual defocusing effects produced by different transverse impedance sources, including elements like scraper, injection zone, in-vacuum undulator and standard vacuum beam pipe. The good agreement between the measurements and the transverse impedance model based on analytical calculation of the resistive wall and GdfidL simulation of the geometrical impedance confirmed that the turn-by-turn technique is a valid diagnostic tool to carry out very sensitive and non-intrusive optics measurements. Furthermore it has been shown how the smaller impedance sources can still be properly characterized by manipulating the machine optics in order to obtain a magnification of the induced defocusing kick. This method has been used to characterize impedances as small as the one of the ALBA IVUs.