Titelaufnahme

Titel
Mitigation of ground motion effects via feedback systems for the Compact Linear Collider / von Jürgen Pfingstner
VerfasserPfingstner, Jürgen
Begutachter / BegutachterinBenedikt, Michael ; Albin, Wrulich
Erschienen2013
UmfangXVI, 161 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2013
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Orbitregeler, Bodenbewegungen, SVD Entkopplung, Compact Linear Collider, Systemidentifikation, Orbitantwortsmatrix,
Schlagwörter (EN)orbit feedback system, ground motion, SVD decoupling, Compact Linear Collider, system identification, orbit response matrix
Schlagwörter (GND)CERN / Linearbeschleuniger / Elektron-Positron-Wechselwirkung / Bodenbewegung / Gegenmaßnahme / Reglerentwurf / Systemidentifikation
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-56530 Persistent Identifier (URN)
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Mitigation of ground motion effects via feedback systems for the Compact Linear Collider [4.56 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Der Compact Linear Collider (CLIC) ist ein zukünftiger multi-TeV Elektron-Positron Linearbeschleuniger, der gegenwärtig am CERN entworfen wird. Um seine ambitionierten Ziele zu erreichen muss CLIC Teilchenstrahlen von höchster Qualität produzieren, was den Beschleuniger empfindlich für Bodenbewegungen macht. Das CLIC Entwurfsteam hat vier Gegenmaßnahmen vorgesehen um dieses kritische Bodenbewegungsproblem zu lösen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf einer dieser Gegenmaßnahmen, dem sog. Linac-Regler (L-FB), aber auch mit der Simulation und der Validierung aller Gegenmaßnahmen gemeinsam. Zusätzlich wurde eine Methode zur Verbesserung des notwendigen Systemmodells entwickelt.

Das L-FB dient zur Unterdrückung von Strahloszillationen entlang des Beschleunigers. Der Reglerentwurf basiert auf der Entkopplung des Beschleunigersystems in unabhängige Systemkanäle. Für jeden Systemkanal wird anschließend mit Hilfe einer automatischen Syntheseprozedur ein individueller Regler bestimmt. Die Prozedur erlaubt es Expertenwissen einzubringen, welches von einem Optimierungsalgorithmus benutzt wird um den Luminositätsverlust zu minimieren. Dieser Ansatz beschleunigt den Entwurfsprozess signifikant während gleichzeitig die Regelgüte im Vergleich zu Standardmethoden verbessert wird. Neben dem L-FB werden auch einfache aber effiziente Entwürfe für den sog.

Kollisionspunktregler und Kostenreduktionsoptionen für die Quadrupol-Stabilisation präsentiert. Für den Entwurf all dieser Regler wurden Modelle für den Einfluss der Bodenbewegungen auf Strahlparameter wie Stahlversatz, Strahlgröße und Luminosität durch Adaption von existierenden Modellen hergeleitet. Für den Entwurf und die Validierung der Gegenmaßnahmen wurde eine Simulationsumgebung aufgesetzt. Diese Umgebung beinhaltet einen Bodenbewegungsgenerator, das Strahl-Tracking, die Strahl-Kollisionen sowie alle Gegenmaßnahmen. Die Simulationen zeigen, dass der Luminositätsverlust auf Grund von Bodenbewegungen effizient reduziert werden kann. Dank des L-FB Entwurfs konnten auch die Spezifikationen für die Strahlpositionsmonitore signifikant gelockert werden. Die Robustheit des L-FB wurde bezüglich vieler Imperfektionen getestet. Eine Sensitivität im Bezug auf Strahlenergievariationen wurde festgestellt, welche durch Filterung von dispersiven Strahlversätzen aus den Messdaten behoben wurde. Weitere Simulationen resultierten in Richtlinien für den Neuentwurf des Quadrupol-Stabilisationssystems, welches zu einer signifikanten Reduktion des Luminositätsverlustes führte. Auf Grund der Wichtigkeit von präzisen Systemmodellen wurde ein speziell zugeschnittenes Systemidentifikationsschema entwickelt. Es ist in der Lage die Parameter des Modells des Hauptbeschleunigers während des Betriebs an das aktuelle Beschleunigerverhalten anzupassen. Durch eine Spezialisierung auf die wichtigsten Systemveränderungen konnte im Vergleich zu Standardalgorithmen die Identifikationsgeschwindigkeit stark erhöht werden. Die identifizierten Modellparameter können für Orbitregler, Systemdiagnose, Alignment-Algorithmen und Fehlererkennungstools verwendet werden.

Zusammenfassung (Englisch)

The Compact Linear Collider (CLIC) is a future multi-TeV electron positron collider, which is currently being designed at CERN.

To achieve its ambitious goals, CLIC has to produce particle beams of the highest quality, which makes the accelerator very sensitive to ground motion. Four mitigation methods have been foreseen by the CLIC design group to cope with the feasibility issue of ground motion. This thesis is concerned with the design of one of these mitigation methods, named linac feedback (L-FB), but also with the simultaneous simulation and validation of all mitigation methods. Additionally, a technique to improve the quality of the indispensable system knowledge has been developed.

The L-FB suppresses beam oscillations along the accelerator. Its design is based on the decoupling of the overall accelerator system into independent channels. For each channel an individual compensator is found with the help of a semi- automatic control synthesis procedure.

This technique allows the designer to incorporate expert knowledge, which is used by an optimisation algorithm to minimise the luminosity loss due to ground motion. This approach speeds up the design process significantly, while at the same time improving the orbit feedback performance compared to standard methods. Beside the L-FB, simple but effective designs for the interaction point feedback and cost reduction options for the quadrupole stabilisation are presented. For the design of all these feedback systems models of the ground motion influence on different beam parameters such as beam offset, beam size and luminosity have been derived by adapting and extending existent models.

To design, improve and validate the ground motion mitigation methods, a simulation framework was set up, which includes a ground motion generator, beam tracking, beam-beam interaction and all mitigation methods. The simulations show that the ground motion mitigation methods can efficiently preserve the CLIC luminosity. Due to our design of the L-FB, the specifications of the beam position monitor resolution could be relaxed significantly. The robustness of the L-FB was also verified with respect to many other imperfections. Only a certain sensitivity to beam energy variations was observed, which could be resolved by filtering dispersive orbits from the measurements. Further simulation results were an essential input for the redesign of the quadrupole stabilisation system leading to a significant performance improvement of the system. Due to the high importance of the system knowledge for many applications, a system identification scheme was developed. It is capable of adapting the parameters of the system model to changes of the main linac behaviour (orbit response matrix) on-line, during the regular operation of the linac. By focusing only on the most significant system changes, the identification speed could be improved strongly compared to standard algorithms. The identified parameters of the orbit response matrix can be used to improve the performance of beam-based alignment algorithms and orbit feedbacks and are an important input for diagnosis and error detection tools.