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Simula'on Results of SPS Feedback Control System of Electron Cloud Transverse Instabili'es LARP 15 TH Collaboration Meeting, SLAC, USA R. Secondo November 1-3, 2010

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SLIDE 1

Simula'on ¡Results ¡of ¡SPS ¡Feedback ¡ Control ¡System ¡of ¡Electron ¡Cloud ¡ Transverse ¡Instabili'es ¡

LARP 15TH Collaboration Meeting, SLAC, USA

  • R. ¡Secondo ¡

LARP ¡Ecloud ¡contributors: ¡ Jean-­‑Luc ¡Vay, ¡M. ¡Venturini, ¡J. ¡Byrd, ¡M. ¡Furman, ¡R. ¡Secondo, ¡M. ¡Placidi, ¡A. ¡RaG ¡(LBNL) ¡ John ¡D. ¡Fox, ¡C. ¡RiveNa, ¡O. ¡Turgut, ¡Max ¡Swiatlowski, ¡Themistoklis ¡Mastorides ¡ ¡(SLAC) ¡

  • W. ¡Hofle, ¡G. ¡Arduini, ¡G. ¡Rumolo ¡(CERN) ¡

November ¡1-­‑3, ¡2010 ¡

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E-­‑cloud ¡SPS ¡feedback ¡– ¡R. ¡Secondo ¡et ¡al. ¡ LARP ¡CM15, ¡SLAC, ¡November ¡1-­‑3, ¡2010 ¡ 2 ¡

Outline ¡

  • ¡Mo'va'on ¡
  • ¡Modeling ¡
  • ¡Feedback ¡Scheme ¡
  • ¡WARP/POSINST ¡framework ¡
  • ¡Feedback ¡System ¡Simula'on ¡Results ¡
  • ¡Open ¡Loop ¡case ¡
  • ¡Closed ¡Loop ¡case ¡
  • ¡Kick ¡Signal ¡applied ¡to ¡bunch ¡
  • ¡Future ¡Plans ¡
  • ¡Conclusions ¡
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  • ¡ ¡Transverse ¡Instabili'es ¡observed ¡in ¡SPS ¡beams ¡due ¡to ¡electron ¡clouds ¡
  • ¡ ¡Possible ¡solu'on: ¡Feedback ¡System ¡to ¡control ¡beam ¡transverse ¡mo'on, ¡

(see ¡J.L.Vay ¡et ¡al. ¡Proceedings ¡of ¡IPAC ¡2010, ¡[1], ¡J. ¡Fox ¡et ¡al. ¡Proceedings ¡of ¡ IPAC ¡2010 ¡[2]). ¡

  • ¡Use ¡of ¡the ¡Par'cle-­‑In-­‑Cell ¡framework ¡Warp-­‑Posinst ¡

E-­‑cloud ¡SPS ¡feedback ¡– ¡R. ¡Secondo ¡et ¡al. ¡ 3 ¡

Mo'va'on ¡

LARP ¡CM15, ¡SLAC, ¡November ¡1-­‑3, ¡2010 ¡

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Scheme ¡of ¡the ¡overall ¡system: ¡

Feedback ¡Model ¡

Amplifier + Kicker Receiver CONTROL Processing Channel Beam

E-­‑cloud ¡SPS ¡feedback ¡– ¡R. ¡Secondo ¡et ¡al. ¡ 4 ¡ LARP ¡CM15, ¡SLAC, ¡November ¡1-­‑3, ¡2010 ¡

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  • ¡ ¡WARP ¡quasista'c ¡model ¡similar ¡to ¡HEADTAIL, ¡QuickPIC. ¡ ¡
  • ¡ ¡Op'on ¡of ¡using ¡POSINST ¡to ¡get ¡secondary ¡emission ¡of ¡electrons ¡ ¡
  • ¡ ¡Uniform ¡Ecloud ¡density ¡distribu'on ¡used ¡in ¡our ¡Single-­‑Bunch ¡runs. ¡

WARP/POSINST ¡framework ¡

E-­‑cloud ¡SPS ¡feedback ¡– ¡R. ¡Secondo ¡et ¡al. ¡ 5 ¡ LARP ¡CM15, ¡SLAC, ¡November ¡1-­‑3, ¡2010 ¡

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SLIDE 6

E-­‑cloud ¡SPS ¡feedback ¡– ¡R. ¡Secondo ¡et ¡al. ¡ 6 ¡

Open ¡Loop ¡Simula'on ¡Results ¡-­‑ ¡I ¡

LARP ¡CM15, ¡SLAC, ¡November ¡1-­‑3, ¡2010 ¡

  • ¡Open ¡loop ¡simula'ons ¡show ¡large ¡transverse ¡oscilla'ons. ¡Data ¡from ¡2009 ¡MD ¡show ¡similar ¡

mo'on ¡(see ¡talks ¡C. ¡RiveNa ¡et ¡al. ¡[3], ¡R. ¡Secondo ¡et ¡al. ¡[4]) ¡

Ver'cal ¡Posi'on ¡[m] ¡ Ver'cal ¡Posi'on ¡of ¡a ¡slice ¡in ¡the ¡TAIL ¡for ¡an ¡open ¡loop ¡run ¡at ¡26 ¡GeV ¡with ¡Electron ¡Density ¡of ¡De ¡= ¡1012. ¡ ¡ turns ¡

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SLIDE 7

E-­‑cloud ¡SPS ¡feedback ¡– ¡R. ¡Secondo ¡et ¡al. ¡ 7 ¡

Open ¡Loop ¡Simula'on ¡Results ¡-­‑ ¡II ¡

LARP ¡CM15, ¡SLAC, ¡November ¡1-­‑3, ¡2010 ¡

turns ¡ Ver'cal ¡EmiNance ¡[m*rad] ¡ Bunch ¡average ¡Ver'cal ¡emiNance, ¡E ¡= ¡26 ¡GeV ¡with ¡Electron ¡Density ¡of ¡De ¡= ¡1012 ¡

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SLIDE 8

Feedback ¡System ¡Considera'ons ¡

E-­‑cloud ¡SPS ¡feedback ¡– ¡R. ¡Secondo ¡et ¡al. ¡ 8 ¡ LARP ¡CM15, ¡SLAC, ¡November ¡1-­‑3, ¡2010 ¡

  • ¡Feedback ¡model ¡s'll ¡incomplete, ¡though ¡lot ¡of ¡progress ¡has ¡been ¡done. ¡The ¡

model ¡has ¡infinite ¡Bandwidth, ¡no ¡noise, ¡no ¡interfering ¡signals ¡from ¡horizontal ¡ mo'on ¡or ¡propaga'ng ¡beam ¡pipe ¡signals. ¡

  • ¡Es'ma'on ¡of ¡kicker ¡signal ¡necessary ¡to ¡control ¡instabili'es ¡is ¡essen'al. ¡
  • ¡The ¡control ¡ac'on ¡is ¡performed ¡applying ¡a ¡kick ¡from ¡an ¡ideal ¡kicker, ¡forcing ¡the ¡

bunch ¡ver'cal ¡displacement ¡to ¡zero ¡(y ¡ ¡0) ¡

˙ ˙ y +ω 2y = K(e − y) + Δp

⊥

Signal ¡of ¡the ¡ Ideal ¡Kicker ¡ Interac'on ¡ Beam-­‑Ecloud ¡

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Feedback ¡System ¡– ¡Closed ¡Loop ¡Performance ¡I ¡

E-­‑cloud ¡SPS ¡feedback ¡– ¡R. ¡Secondo ¡et ¡al. ¡ 9 ¡ LARP ¡CM15, ¡SLAC, ¡November ¡1-­‑3, ¡2010 ¡

Ver'cal ¡displacement ¡comparison ¡between ¡Open ¡Loop ¡and ¡Closed ¡Loop ¡(Feedback ¡on) ¡cases ¡of ¡a ¡single ¡slice ¡in ¡the ¡ TAIL ¡of ¡the ¡bunch. ¡E ¡= ¡26 ¡GeV ¡with ¡Electron ¡Density ¡De ¡=1012 ¡ turns ¡ Ver'cal ¡EmiNance ¡[m*rad] ¡

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Feedback ¡System ¡– ¡Closed ¡Loop ¡Performance ¡II ¡

E-­‑cloud ¡SPS ¡feedback ¡– ¡R. ¡Secondo ¡et ¡al. ¡ 10 ¡ LARP ¡CM15, ¡SLAC, ¡November ¡1-­‑3, ¡2010 ¡

Bunch ¡average ¡ver'cal ¡emiNance ¡Comparison ¡between ¡Open ¡Loop ¡and ¡Closed ¡Loop ¡(Feedback ¡on) ¡cases. ¡E ¡= ¡26 ¡ GeV ¡with ¡Electron ¡Density ¡De ¡= ¡1012 ¡ turns ¡ Ver'cal ¡EmiNance ¡[m*rad] ¡

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E-­‑cloud ¡SPS ¡feedback ¡– ¡R. ¡Secondo ¡et ¡al. ¡ 11 ¡ LARP ¡CM15, ¡SLAC, ¡November ¡1-­‑3, ¡2010 ¡

Bunch ¡average ¡ver'cal ¡emiNance ¡for ¡three ¡Closed ¡Loop ¡runs ¡with ¡De ¡= ¡1*1012, ¡De ¡= ¡1.4*1012 ¡and ¡De ¡= ¡2*1012 ¡ turns ¡ Ver'cal ¡EmiNance ¡[m*rad] ¡

Feedback ¡System ¡– ¡Closed ¡Loop ¡Performance ¡III ¡

  • ¡Increasing ¡the ¡Electron ¡Density ¡leads ¡to ¡emiNance ¡growth. ¡
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Kick ¡Signal ¡applied ¡to ¡bunch ¡-­‑ ¡I ¡

E-­‑cloud ¡SPS ¡feedback ¡– ¡R. ¡Secondo ¡et ¡al. ¡ 12 ¡ LARP ¡CM15, ¡SLAC, ¡November ¡1-­‑3, ¡2010 ¡

Kick ¡signal ¡with ¡No ¡Limita'on ¡and ¡De=1012 ¡-­‑ ¡2D ¡view ¡

Charge ¡profile ¡of ¡the ¡bunch ¡

slices ¡ slices ¡

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Kick ¡Signal ¡applied ¡to ¡bunch ¡-­‑ ¡II ¡

E-­‑cloud ¡SPS ¡feedback ¡– ¡R. ¡Secondo ¡et ¡al. ¡ 13 ¡ LARP ¡CM15, ¡SLAC, ¡November ¡1-­‑3, ¡2010 ¡

  • ¡Kick ¡signal ¡with ¡No ¡Limita'on ¡and ¡De ¡= ¡1012 ¡

slices ¡ turns ¡

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SLIDE 14

E-­‑cloud ¡SPS ¡feedback ¡– ¡R. ¡Secondo ¡et ¡al. ¡ 14 ¡ LARP ¡CM15, ¡SLAC, ¡November ¡1-­‑3, ¡2010 ¡

  • ¡Time ¡Domain ¡evolu'on ¡of ¡the ¡Kick ¡signal ¡for ¡three ¡slices ¡with ¡No ¡Limita'on ¡for ¡an ¡Electron ¡

Density ¡De ¡= ¡1012. ¡Slice ¡#22 ¡is ¡located ¡in ¡the ¡tail ¡of ¡the ¡bunch. ¡

Kick ¡Signal ¡applied ¡to ¡bunch ¡-­‑ ¡III ¡

turns ¡

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E-­‑cloud ¡SPS ¡feedback ¡– ¡R. ¡Secondo ¡et ¡al. ¡ 15 ¡ LARP ¡CM15, ¡SLAC, ¡November ¡1-­‑3, ¡2010 ¡

  • ¡Frequency ¡Spectrum ¡of ¡the ¡bunch ¡in ¡Closed ¡Loop ¡for ¡an ¡Electron ¡Density ¡De ¡= ¡1012. ¡

Closed ¡Loop ¡Frequency ¡Spectrum ¡

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E-­‑cloud ¡SPS ¡feedback ¡– ¡R. ¡Secondo ¡et ¡al. ¡ 16 ¡ LARP ¡CM15, ¡SLAC, ¡November ¡1-­‑3, ¡2010 ¡

  • ¡Kick ¡signal ¡with ¡No ¡Limita'on ¡and ¡De ¡= ¡1012 ¡

Kick ¡Signal ¡applied ¡to ¡bunch ¡-­‑ ¡IV ¡

slices ¡ slices ¡ slices ¡ slices ¡

TAIL ¡ TAIL ¡ TAIL ¡ TAIL ¡ HEAD ¡ HEAD ¡ HEAD ¡ HEAD ¡

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Future ¡Plans ¡

E-­‑cloud ¡SPS ¡feedback ¡– ¡R. ¡Secondo ¡et ¡al. ¡ 17 ¡ LARP ¡CM15, ¡SLAC, ¡November ¡1-­‑3, ¡2010 ¡

  • ¡Improve ¡the ¡Model ¡of ¡the ¡Feedback ¡making ¡it ¡more ¡realis'c ¡
  • ¡Provide ¡essen'al ¡informa'on ¡to ¡set ¡the ¡kicker ¡design ¡specifica'ons ¡
  • ¡Apply ¡Feedback ¡to ¡mul'-­‑bunch ¡simula'ons. ¡See ¡J. ¡L. ¡Vay ¡et ¡al., ¡[5] ¡
  • ¡Analyze ¡data ¡from ¡2009 ¡and ¡2010 ¡MDs ¡and ¡benchmark ¡the ¡model ¡
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Conclusions ¡

E-­‑cloud ¡SPS ¡feedback ¡– ¡R. ¡Secondo ¡et ¡al. ¡ 18 ¡ LARP ¡CM15, ¡SLAC, ¡November ¡1-­‑3, ¡2010 ¡

  • ¡A ¡Feedback ¡Control ¡System ¡is ¡a ¡possible ¡solu'on ¡to ¡damp ¡single-­‑bunch ¡ecloud ¡

instabili'es ¡in ¡the ¡SPS ¡

  • ¡WARP/POSINST ¡framework ¡used ¡to ¡simulate ¡the ¡e-­‑cloud ¡effect ¡in ¡the ¡SPS ¡and ¡study ¡

the ¡Requirements ¡and ¡Limits ¡of ¡the ¡Feedback ¡Design. ¡

  • ¡Understanding ¡the ¡kicker ¡signal ¡level ¡needed ¡to ¡efficiently ¡control ¡the ¡beam ¡is ¡a ¡key ¡
  • parameter. ¡
  • ¡Frequency ¡content ¡in ¡Closed ¡Loop ¡using ¡an ¡ideal ¡kicker ¡can ¡raise ¡up ¡to ¡higher ¡

frequencies ¡than ¡1-­‑2 ¡GHz. ¡This ¡issue ¡need ¡to ¡be ¡studied ¡more ¡carefully ¡

  • ¡Future ¡developments ¡will ¡lead ¡to ¡a ¡more ¡realis'c ¡model ¡of ¡the ¡system ¡

and ¡a ¡beNer ¡understanding ¡of ¡the ¡key ¡parameters. ¡

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References ¡

E-­‑cloud ¡SPS ¡feedback ¡– ¡R. ¡Secondo ¡et ¡al. ¡ 19 ¡ LARP ¡CM15, ¡SLAC, ¡November ¡1-­‑3, ¡2010 ¡

  • ¡[1] ¡-­‑ ¡“Simula'on ¡of ¡Electron ¡Cloud ¡driven ¡instability ¡and ¡its ¡aNenua'on ¡using ¡a ¡feedback ¡system ¡in ¡the ¡CERN ¡SPS”. ¡J. ¡L. ¡

Vay, ¡J. ¡M. ¡Byrd, ¡M. ¡A. ¡Furman, ¡R. ¡Secondo, ¡M. ¡Venturini, ¡(LBNL, ¡USA); ¡J. ¡D. ¡Fox, ¡C. ¡H. ¡RiveNa, ¡(SLAC, ¡USA); ¡W. ¡Hofle, ¡ (CERN, ¡Switzerland). ¡ ¡Proceedings ¡of ¡IPAC ¡2010, ¡Kyoto, ¡Japan. ¡

  • ¡[2] ¡– ¡“SPS ¡Ecloud ¡Instabili'es ¡-­‑ ¡Analysis ¡of ¡machine ¡studies ¡and ¡implica'ons ¡for ¡Ecloud ¡Feedback”. ¡John ¡Fox, ¡Themis ¡

Mastorides, ¡Georges ¡Ndabashimiye, ¡Claudio ¡Hector ¡RiveNa, ¡Daniel ¡Van ¡Winkle ¡(SLAC, ¡Menlo ¡Park, ¡California), ¡Riccardo ¡ de ¡Maria ¡(BNL, ¡Upton, ¡Long ¡Island, ¡New ¡York), ¡Wolfgang ¡Höfle, ¡Giovanni ¡Rumolo ¡(CERN, ¡Geneva), ¡John ¡Byrd, ¡Miguel ¡ Furman, ¡Jean-­‑Luc ¡Vay ¡(LBNL, ¡Berkeley, ¡California). ¡Proceedings ¡of ¡IPAC ¡2010, ¡Kyoto, ¡Japan. ¡

  • ¡[3] ¡-­‑ ¡“Feedback ¡Control ¡of ¡SPS ¡E-­‑Cloud/TMCI ¡Instabili'es”. ¡C. ¡H. ¡RiveNa, ¡J. ¡D. ¡Fox, ¡A. ¡BulliN, ¡T. ¡Mastorides, ¡G. ¡

Ndabashimiye, ¡M. ¡Pivi, ¡O. ¡Turgut ¡(SLAC, ¡USA); ¡W. ¡Hofle, ¡B. ¡Savant ¡(CERN, ¡Switzerland); ¡M. ¡Furman, ¡R. ¡Secondo, ¡J.-­‑L. ¡Vay ¡ (LBNL). ¡ ¡ECLOUD10 ¡Talk, ¡Cornell, ¡Ithaca, ¡USA. ¡

  • ¡[4] ¡-­‑ ¡“Simulated ¡Performance ¡of ¡an ¡FIR-­‑Based ¡Feedback ¡System ¡to ¡Control ¡the ¡Electron ¡Cloud ¡Single-­‑Bunch ¡Transverse ¡

Instabili'es ¡in ¡the ¡CERN ¡SPS”. ¡R. ¡Secondo, ¡J.-­‑L. ¡Vay, ¡J. ¡M. ¡Byrd, ¡M. ¡A. ¡Furman, ¡M. ¡Venturini ¡(LBNL, ¡USA), ¡

  • J. ¡D. ¡Fox, ¡C. ¡H. ¡RiveNa ¡(SLAC, ¡USA), ¡W. ¡Hofle ¡(CERN, ¡Switzerland). ¡ECLOUD10 ¡Talk, ¡Cornell, ¡Ithaca, ¡USA. ¡
  • ¡[5] ¡– ¡“Numerical ¡Modeling ¡of ¡E-­‑Cloud ¡Driven ¡Instability ¡and ¡its ¡Mi'ga'on ¡using ¡a ¡Simulated ¡Feedback ¡System ¡ ¡

in ¡the ¡CERN ¡SPS” ¡J.-­‑L. ¡Vay, ¡J. ¡M. ¡Byrd, ¡M. ¡A. ¡Furman, ¡R. ¡Secondo, ¡M. ¡Venturini ¡(LBNL, ¡USA); ¡J. ¡D. ¡Fox, ¡C. ¡H. ¡RiveNa ¡(SLAC, ¡ USA); ¡W. ¡Höfle ¡(CERN, ¡Switzerland). ¡ECLOUD10 ¡Talk, ¡Cornell, ¡Ithaca, ¡USA. ¡