The MAX IV 3 GeV Storage Ring La6ce Simon C. Leemann 1st - - PowerPoint PPT Presentation

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the max iv 3 gev storage ring la6ce
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The MAX IV 3 GeV Storage Ring La6ce Simon C. Leemann 1st - - PowerPoint PPT Presentation

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The MAX IV 3 GeV Storage Ring La6ce Simon C. Leemann 1st Workshop on Low Emi6ance La8ce Design, April 23-24, 2015 Origins of the MAX IV 3 GeV

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Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

The ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Storage ¡Ring ¡La6ce

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/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Origins ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Ring ¡La6ce

2

  • RealizaHon ¡that ¡a ¡single ¡accelerator ¡cannot ¡cover ¡the ¡enHre ¡

required ¡spectral ¡and ¡temporal ¡range ¡➙ ¡decision ¡to ¡build

– one ¡full-­‑energy ¡linac ¡➙ ¡SPF/FEL ¡driver ¡& ¡ring ¡injector ¡(separate ¡guns) – two ¡separate ¡storage ¡rings ¡at ¡1.5 ¡GeV ¡and ¡3 ¡GeV

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/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Origins ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Ring ¡La6ce ¡(cont.)

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  • RealizaHon ¡that ¡a ¡single ¡accelerator ¡cannot ¡cover ¡the ¡enHre ¡

required ¡spectral ¡and ¡temporal ¡range ¡➙ ¡decision ¡to ¡build

– one ¡full-­‑energy ¡linac ¡➙ ¡SPF/FEL ¡driver ¡& ¡ring ¡injector – two ¡separate ¡storage ¡rings ¡at ¡1.5 ¡GeV ¡and ¡3 ¡GeV

Photo ¡courtesy ¡P. ¡Nordeng Feb ¡5, ¡2015 ¡

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Photo ¡courtesy ¡P. ¡Nordeng Feb ¡5, ¡2015 ¡

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Origins ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Ring ¡La6ce ¡(cont.)

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  • RealizaHon ¡that ¡a ¡single ¡accelerator ¡cannot ¡cover ¡the ¡enHre ¡

required ¡spectral ¡and ¡temporal ¡range ¡➙ ¡decision ¡to ¡build

– one ¡full-­‑energy ¡linac ¡➙ ¡SPF/FEL ¡driver ¡& ¡ring ¡injector – two ¡separate ¡storage ¡rings ¡at ¡1.5 ¡GeV ¡and ¡3 ¡GeV

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/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Origins ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Ring ¡La6ce ¡(cont.)

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  • RealizaHon ¡that ¡a ¡single ¡accelerator ¡cannot ¡cover ¡the ¡enHre ¡

required ¡spectral ¡and ¡temporal ¡range ¡➙ ¡decision ¡to ¡build

– one ¡full-­‑energy ¡linac ¡➙ ¡SPF/FEL ¡driver ¡& ¡ring ¡injector – two ¡separate ¡storage ¡rings ¡at ¡1.5 ¡GeV ¡and ¡3 ¡GeV

  • 3 ¡GeV ¡storage ¡ring ¡targets ¡x-­‑ray ¡users ¡➙ ¡high ¡brightness ¡via ¡

state-­‑of-­‑the-­‑art ¡IDs, ¡high-­‑current ¡top-­‑up ¡operaHon ¡& ¡ultralow ¡emi6ance

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SLIDE 6
  • RealizaHon ¡that ¡a ¡single ¡accelerator ¡cannot ¡cover ¡the ¡enHre ¡

required ¡spectral ¡and ¡temporal ¡range ¡➙ ¡decision ¡to ¡build

– one ¡full-­‑energy ¡linac ¡➙ ¡SPF/FEL ¡driver ¡& ¡ring ¡injector – two ¡separate ¡storage ¡rings ¡at ¡1.5 ¡GeV ¡and ¡3 ¡GeV

  • 3 ¡GeV ¡storage ¡ring ¡targets ¡x-­‑ray ¡users ¡➙ ¡high ¡brightness ¡via ¡

state-­‑of-­‑the-­‑art ¡IDs, ¡high-­‑current ¡top-­‑up ¡operaHon ¡& ¡ultralow ¡emi6ance

  • Ultralow ¡emi6ance ¡achieved ¡through ¡MBA ¡la8ce ¡(εx ¡~ ¡1/Nb3)

I5 = I H |ρ3|ds I2 = I ds ρ2 I4 = I η ρ ✓ 1 ρ2 + 2b2 ◆ ds H = γxη2 + 2αxηη0 + βxη2

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Origins ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Ring ¡La6ce ¡(cont.)

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ε0[nm rad] = 1470 E[GeV]2 I5 JxI2 , Jx = 1 − I4 I2 = 0.0078 Jx E[GeV]2 Φ[]3 F (βx, η)ρ 12 √ 15 , Φ[]3 ∝ 1 N 3

b

TME MBA

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SLIDE 7
  • RealizaHon ¡that ¡a ¡single ¡accelerator ¡cannot ¡cover ¡the ¡enHre ¡

required ¡spectral ¡and ¡temporal ¡range ¡➙ ¡decision ¡to ¡build

– one ¡full-­‑energy ¡linac ¡➙ ¡SPF/FEL ¡driver ¡& ¡ring ¡injector – two ¡separate ¡storage ¡rings ¡at ¡1.5 ¡GeV ¡and ¡3 ¡GeV

  • 3 ¡GeV ¡storage ¡ring ¡targets ¡x-­‑ray ¡users ¡➙ ¡high ¡brightness ¡via ¡

state-­‑of-­‑the-­‑art ¡IDs, ¡high-­‑current ¡top-­‑up ¡operaHon ¡& ¡ultralow ¡emi6ance

  • Ultralow ¡emi6ance ¡achieved ¡through ¡MBA ¡la8ce ¡(εx ¡~ ¡1/Nb3)

I5 = I H |ρ3|ds I2 = I ds ρ2 I4 = I η ρ ✓ 1 ρ2 + 2b2 ◆ ds H = γxη2 + 2αxηη0 + βxη2

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Origins ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Ring ¡La6ce ¡(cont.)

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ε0[nm rad] = 1470 E[GeV]2 I5 JxI2 , Jx = 1 − I4 I2 = 0.0078 Jx E[GeV]2 Φ[]3 F (βx, η)ρ 12 √ 15 , Φ[]3 ∝ 1 N 3

b

TME MBA

SPIE ¡Vol. ¡2013, ¡1993

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SLIDE 8
  • RealizaHon ¡that ¡a ¡single ¡accelerator ¡cannot ¡cover ¡the ¡enHre ¡

required ¡spectral ¡and ¡temporal ¡range ¡➙ ¡decision ¡to ¡build

– one ¡full-­‑energy ¡linac ¡➙ ¡SPF/FEL ¡driver ¡& ¡ring ¡injector – two ¡separate ¡storage ¡rings ¡at ¡1.5 ¡GeV ¡and ¡3 ¡GeV

  • 3 ¡GeV ¡storage ¡ring ¡targets ¡x-­‑ray ¡users ¡➙ ¡high ¡brightness ¡via ¡

state-­‑of-­‑the-­‑art ¡IDs, ¡high-­‑current ¡top-­‑up ¡operaHon ¡& ¡ultralow ¡emi6ance

  • Ultralow ¡emi6ance ¡achieved ¡through ¡MBA ¡la8ce ¡(εx ¡~ ¡1/Nb3)

I5 = I H |ρ3|ds I2 = I ds ρ2 I4 = I η ρ ✓ 1 ρ2 + 2b2 ◆ ds H = γxη2 + 2αxηη0 + βxη2

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Origins ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Ring ¡La6ce ¡(cont.)

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ε0[nm rad] = 1470 E[GeV]2 I5 JxI2 , Jx = 1 − I4 I2 = 0.0078 Jx E[GeV]2 Φ[]3 F (βx, η)ρ 12 √ 15 , Φ[]3 ∝ 1 N 3

b

TME MBA

SPIE ¡Vol. ¡2013, ¡1993 EPAC’94, ¡p.627

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SLIDE 9
  • RealizaHon ¡that ¡a ¡single ¡accelerator ¡cannot ¡cover ¡the ¡enHre ¡

required ¡spectral ¡and ¡temporal ¡range ¡➙ ¡decision ¡to ¡build

– one ¡full-­‑energy ¡linac ¡➙ ¡SPF/FEL ¡driver ¡& ¡ring ¡injector – two ¡separate ¡storage ¡rings ¡at ¡1.5 ¡GeV ¡and ¡3 ¡GeV

  • 3 ¡GeV ¡storage ¡ring ¡targets ¡x-­‑ray ¡users ¡➙ ¡high ¡brightness ¡via ¡

state-­‑of-­‑the-­‑art ¡IDs, ¡high-­‑current ¡top-­‑up ¡operaHon ¡& ¡ultralow ¡emi6ance

  • Ultralow ¡emi6ance ¡achieved ¡through ¡MBA ¡la8ce ¡(εx ¡~ ¡1/Nb3)

I5 = I H |ρ3|ds I2 = I ds ρ2 I4 = I η ρ ✓ 1 ρ2 + 2b2 ◆ ds H = γxη2 + 2αxηη0 + βxη2

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Origins ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Ring ¡La6ce ¡(cont.)

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ε0[nm rad] = 1470 E[GeV]2 I5 JxI2 , Jx = 1 − I4 I2 = 0.0078 Jx E[GeV]2 Φ[]3 F (βx, η)ρ 12 √ 15 , Φ[]3 ∝ 1 N 3

b

TME MBA

SPIE ¡Vol. ¡2013, ¡1993 EPAC’94, ¡p.627 PAC’95, ¡TPG08, ¡p.177

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SLIDE 10
  • RealizaHon ¡that ¡a ¡single ¡accelerator ¡cannot ¡cover ¡the ¡enHre ¡

required ¡spectral ¡and ¡temporal ¡range ¡➙ ¡decision ¡to ¡build

– one ¡full-­‑energy ¡linac ¡➙ ¡SPF/FEL ¡driver ¡& ¡ring ¡injector – two ¡separate ¡storage ¡rings ¡at ¡1.5 ¡GeV ¡and ¡3 ¡GeV

  • 3 ¡GeV ¡storage ¡ring ¡targets ¡x-­‑ray ¡users ¡➙ ¡high ¡brightness ¡via ¡

state-­‑of-­‑the-­‑art ¡IDs, ¡high-­‑current ¡top-­‑up ¡operaHon ¡& ¡ultralow ¡emi6ance

  • Ultralow ¡emi6ance ¡achieved ¡through ¡MBA ¡la8ce ¡(εx ¡~ ¡1/Nb3)

I5 = I H |ρ3|ds I2 = I ds ρ2 I4 = I η ρ ✓ 1 ρ2 + 2b2 ◆ ds H = γxη2 + 2αxηη0 + βxη2

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Origins ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Ring ¡La6ce ¡(cont.)

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ε0[nm rad] = 1470 E[GeV]2 I5 JxI2 , Jx = 1 − I4 I2 = 0.0078 Jx E[GeV]2 Φ[]3 F (βx, η)ρ 12 √ 15 , Φ[]3 ∝ 1 N 3

b

TME MBA

SPIE ¡Vol. ¡2013, ¡1993 EPAC’94, ¡p.627 PAC’95, ¡TPG08, ¡p.177 PAC’95, ¡FAB14, ¡p.2823

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Origins ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Ring ¡La6ce ¡(cont.)

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  • Around ¡2002, ¡MAX-­‑lab ¡considers ¡MBA ¡la8ce ¡can ¡be ¡realized ¡

in ¡conjuncHon ¡with

– compact ¡magnets ¡(narrow ¡gaps ¡➙ ¡short ¡but ¡strong), ¡magnet ¡ integraHon ¡(common ¡magnet ¡block ¡= ¡“girder”), ¡use ¡of ¡combined-­‑ funcHon ¡magnets

Photos ¡courtesy ¡M. ¡Johansson

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Origins ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Ring ¡La6ce ¡(cont.)

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  • Around ¡2002, ¡MAX-­‑lab ¡considers ¡MBA ¡la8ce ¡can ¡be ¡realized ¡

in ¡conjuncHon ¡with

– compact ¡magnets ¡(narrow ¡gaps ¡➙ ¡short ¡but ¡strong), ¡magnet ¡ integraHon ¡(common ¡magnet ¡block ¡= ¡“girder”), ¡use ¡of ¡combined-­‑ funcHon ¡magnets

Photos ¡courtesy ¡M. ¡Johansson

Concrete ¡Support Magnet ¡Block DIPm QFe QDe SDe Corr OYY OXY OXX Corr

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Origins ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Ring ¡La6ce ¡(cont.)

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  • Around ¡2002, ¡MAX-­‑lab ¡considers ¡MBA ¡la8ce ¡can ¡be ¡realized ¡

in ¡conjuncHon ¡with

– compact ¡magnets ¡(narrow ¡gaps ¡➙ ¡short ¡but ¡strong), ¡magnet ¡ integraHon ¡(common ¡magnet ¡block ¡= ¡“girder”), ¡use ¡of ¡combined-­‑ funcHon ¡magnets

Photos ¡courtesy ¡M. ¡Johansson

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SLIDE 14
  • Around ¡2002, ¡MAX-­‑lab ¡considers ¡MBA ¡la8ce ¡can ¡be ¡realized ¡

in ¡conjuncHon ¡with

– compact ¡magnets ¡(narrow ¡gaps ¡➙ ¡short ¡but ¡strong), ¡magnet ¡ integraHon ¡(common ¡magnet ¡block ¡= ¡“girder”), ¡use ¡of ¡combined-­‑ funcHon ¡magnets

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Origins ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Ring ¡La6ce ¡(cont.)

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Photos ¡courtesy ¡M. ¡Johansson

25 ¡mm

Photo ¡courtesy ¡A. ¡Nyberg

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  • Around ¡2002, ¡MAX-­‑lab ¡considers ¡MBA ¡la8ce ¡can ¡be ¡realized ¡

in ¡conjuncHon ¡with

– compact ¡magnets ¡(narrow ¡gaps ¡➙ ¡short ¡but ¡strong), ¡magnet ¡ integraHon ¡(common ¡magnet ¡block ¡= ¡“girder”), ¡use ¡of ¡combined-­‑ funcHon ¡magnets

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Origins ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Ring ¡La6ce ¡(cont.)

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Photos ¡courtesy ¡M. ¡Johansson

25 ¡mm

Photo ¡courtesy ¡A. ¡Nyberg

Many Short Cells

for a given circumference

Small Bend Angle

Low Emittance

Limited Aperture Required

for decent MA and Touschek lifetime

Small Magnet Gaps Strong Gradients Short Magnets Low Dispersion Low Power/Cost

The$Mul(bend$Achromat$Cycle

(courtesy*A.*Streun,*PSI)

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Origins ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Ring ¡La6ce ¡(cont.)

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  • Around ¡2002, ¡MAX-­‑lab ¡considers ¡MBA ¡la8ce ¡can ¡be ¡realized ¡

in ¡conjuncHon ¡with

– compact ¡magnets ¡(narrow ¡gaps ¡➙ ¡short ¡but ¡strong), ¡magnet ¡ integraHon ¡(common ¡magnet ¡block ¡= ¡“girder”), ¡use ¡of ¡combined-­‑ funcHon ¡magnets – NEG-­‑coated ¡vacuum ¡chambers ¡➙ ¡narrow ¡magnet ¡gaps ¡& ¡Hght ¡ magnet ¡spacing

Old ¡MAX ¡II dipole ¡chamber ¡(SS) MAX ¡II ¡test cooled ¡& ¡NEG-­‑coated ¡Cu

  • J. ¡Vac. ¡Sci. ¡Technol. ¡A ¡28(2), ¡Mar/Apr ¡2010
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/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Origins ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Ring ¡La6ce ¡(cont.)

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  • Around ¡2002, ¡MAX-­‑lab ¡considers ¡MBA ¡la8ce ¡can ¡be ¡realized ¡

in ¡conjuncHon ¡with

– compact ¡magnets ¡(narrow ¡gaps ¡➙ ¡short ¡but ¡strong), ¡magnet ¡ integraHon ¡(common ¡magnet ¡block ¡= ¡“girder”), ¡use ¡of ¡combined-­‑ funcHon ¡magnets – NEG-­‑coated ¡vacuum ¡chambers ¡➙ ¡narrow ¡magnet ¡gaps ¡& ¡Hght ¡ magnet ¡spacing

NEG-­‑coated ¡OFS ¡Cu 24 ¡mm ¡OD

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Origins ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Ring ¡La6ce ¡(cont.)

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  • Around ¡2002, ¡MAX-­‑lab ¡considers ¡MBA ¡la8ce ¡can ¡be ¡realized ¡

in ¡conjuncHon ¡with

– compact ¡magnets ¡(narrow ¡gaps ¡➙ ¡short ¡but ¡strong), ¡magnet ¡ integraHon ¡(common ¡magnet ¡block ¡= ¡“girder”), ¡use ¡of ¡combined-­‑ funcHon ¡magnets – NEG-­‑coated ¡vacuum ¡chambers ¡➙ ¡narrow ¡magnet ¡gaps ¡& ¡Hght ¡ magnet ¡spacing

24 ¡mm ¡(OD) NEG-­‑coated ¡OFS ¡Cu

Photo ¡courtesy ¡E. ¡Al-­‑dmour

BPM ¡& ¡bellows OFS ¡Cu 24 ¡mm ¡OD

Cooling channel Cooling channel

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Origins ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Ring ¡La6ce ¡(cont.)

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  • Around ¡2002, ¡MAX-­‑lab ¡considers ¡MBA ¡la8ce ¡can ¡be ¡realized ¡

in ¡conjuncHon ¡with

– compact ¡magnets ¡(narrow ¡gaps ¡➙ ¡short ¡but ¡strong), ¡magnet ¡ integraHon ¡(common ¡magnet ¡block ¡= ¡“girder”), ¡use ¡of ¡combined-­‑ funcHon ¡magnets – NEG-­‑coated ¡vacuum ¡chambers ¡➙ ¡narrow ¡magnet ¡gaps ¡& ¡Hght ¡ magnet ¡spacing – 100 ¡MHz ¡RF ¡system ¡with ¡harmonic ¡caviHes ¡➙ ¡ensure ¡good ¡ Touschek ¡lifeHme ¡& ¡miHgate ¡emi6ance ¡blowup ¡from ¡IBS

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SLIDE 20
  • Around ¡2002, ¡MAX-­‑lab ¡considers ¡MBA ¡la8ce ¡can ¡be ¡realized ¡

in ¡conjuncHon ¡with

– compact ¡magnets ¡(narrow ¡gaps ¡➙ ¡short ¡but ¡strong), ¡magnet ¡ integraHon ¡(common ¡magnet ¡block ¡= ¡“girder”), ¡use ¡of ¡combined-­‑ funcHon ¡magnets – NEG-­‑coated ¡vacuum ¡chambers ¡➙ ¡narrow ¡magnet ¡gaps ¡& ¡Hght ¡ magnet ¡spacing – 100 ¡MHz ¡RF ¡system ¡with ¡harmonic ¡caviHes ¡➙ ¡ensure ¡good ¡ Touschek ¡lifeHme ¡& ¡miHgate ¡emi6ance ¡blowup ¡from ¡IBS

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Origins ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡Ring ¡La6ce ¡(cont.)

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Photos ¡courtesy ¡P. ¡F. ¡Tavares

100 ¡MHz 300 ¡MHz

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/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

The ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡MBA ¡La6ce

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PRST-­‑AB ¡12, ¡120701 ¡(2009) IPAC’11, ¡THPC059, ¡p.3029

  • 528 ¡m ¡circumference, ¡500 ¡mA ¡with ¡top-­‑up, ¡20 ¡achromats

15 x [m] y [m] 5 10 20 25 2.0

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SLIDE 22

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

The ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡MBA ¡La6ce ¡(cont.)

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PRST-­‑AB ¡12, ¡120701 ¡(2009) IPAC’11, ¡THPC059, ¡p.3029

  • 528 ¡m ¡circumference, ¡500 ¡mA ¡with ¡top-­‑up, ¡20 ¡achromats
  • 19 ¡user ¡straights ¡(4.6 ¡m), ¡1 ¡long ¡straight ¡for ¡injecHon
  • 40 ¡short ¡straights ¡(1.3 ¡m) ¡for ¡RF ¡& ¡diagnosHcs

15 x [m] y [m] 5 10 20 25 2.0

LS LS SS SS

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SLIDE 23

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

The ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡MBA ¡La6ce ¡(cont.)

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PRST-­‑AB ¡12, ¡120701 ¡(2009) IPAC’11, ¡THPC059, ¡p.3029

  • 528 ¡m ¡circumference, ¡500 ¡mA ¡with ¡top-­‑up, ¡20 ¡achromats
  • 19 ¡user ¡straights ¡(4.6 ¡m), ¡1 ¡long ¡straight ¡for ¡injecHon
  • 40 ¡short ¡straights ¡(1.3 ¡m) ¡for ¡RF ¡& ¡diagnosHcs
  • 7-­‑bend ¡achromat: ¡5 ¡unit ¡cells ¡(3°) ¡& ¡2 ¡matching ¡cells ¡(1.5° ¡LGB)

15 x [m] y [m] 5 10 20 25 2.0

MC UC MC UC UC UC UC

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SLIDE 24

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

The ¡MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡MBA ¡La6ce ¡(cont.)

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PRST-­‑AB ¡12, ¡120701 ¡(2009) IPAC’11, ¡THPC059, ¡p.3029

  • 528 ¡m ¡circumference, ¡500 ¡mA ¡with ¡top-­‑up, ¡20 ¡achromats
  • 19 ¡user ¡straights ¡(4.6 ¡m), ¡1 ¡long ¡straight ¡for ¡injecHon
  • 40 ¡short ¡straights ¡(1.3 ¡m) ¡for ¡RF ¡& ¡diagnosHcs
  • 7-­‑bend ¡achromat: ¡5 ¡unit ¡cells ¡(3°) ¡& ¡2 ¡matching ¡cells ¡(1.5° ¡LGB)
  • 328 ¡pm ¡rad ¡bare ¡la8ce ¡emi6ance ¡(εy ¡adjusted ¡to ¡2-­‑8 ¡pm ¡rad)

15 x [m] y [m] 5 10 20 25 2.0

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SLIDE 25

15 x [m] y [m] 5 10 20 25 2.0 /62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Linear ¡OpZcs

25

  • Gradient ¡dipoles ¡perform ¡

verHcal ¡focusing ¡(εx ¡~ ¡1/Jx)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 5 10 15 20 25

  • 0.01

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 Beta Functions [m] Dispersion [m] s [m] βx βy ηx

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SLIDE 26

15 x [m] y [m] 5 10 20 25 2.0 /62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Linear ¡OpZcs ¡(cont.)

26

  • Gradient ¡dipoles ¡perform ¡

verHcal ¡focusing ¡(εx ¡~ ¡1/Jx)

  • Gradient ¡dipoles ¡inter-­‑

leaved ¡with ¡horizontally ¡ focusing ¡quadrupoles

2 4 6 8 10 12 14 16 18 5 10 15 20 25

  • 0.01

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 Beta Functions [m] Dispersion [m] s [m] βx βy ηx

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SLIDE 27

15 x [m] y [m] 5 10 20 25 2.0 /62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Linear ¡OpZcs ¡(cont.)

27

  • Gradient ¡dipoles ¡perform ¡

verHcal ¡focusing ¡(εx ¡~ ¡1/Jx)

  • Gradient ¡dipoles ¡inter-­‑

leaved ¡with ¡horizontally ¡ focusing ¡quadrupoles

  • νx ¡= ¡42.20, ¡νy ¡= ¡16.28

βx* ¡= ¡9 ¡m, ¡βy* ¡= ¡2 ¡m

  • σx* ¡= ¡54 ¡μm, ¡σy* ¡= ¡2-­‑4 ¡μm

2 4 6 8 10 12 14 16 18 5 10 15 20 25

  • 0.01

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 Beta Functions [m] Dispersion [m] s [m] βx βy ηx

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SLIDE 28
  • Strong ¡focusing ¡& ¡weak ¡bends ¡➙ ¡low ¡dispersion ¡➙ ¡strong ¡

chromaHc ¡sextupoles ¡➙ ¡intricate ¡nonlinear ¡opHcs ¡required ¡ to ¡achieve ¡large ¡DA ¡& ¡MA ¡(needs ¡to ¡remain ¡stable ¡under ¡influence ¡of ¡IDs ¡and ¡errors!)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 5 10 15 20 25

  • 0.01

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 Beta Functions [m] Dispersion [m] s [m] βx βy ηx

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Nonlinear ¡OpZcs

28

Peak ¡dispersion ¡8 ¡cm

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SLIDE 29
  • Strong ¡focusing ¡& ¡weak ¡bends ¡➙ ¡low ¡dispersion ¡➙ ¡strong ¡

chromaHc ¡sextupoles ¡➙ ¡intricate ¡nonlinear ¡opHcs ¡required ¡ to ¡achieve ¡large ¡DA ¡& ¡MA ¡(needs ¡to ¡remain ¡stable ¡under ¡influence ¡of ¡IDs ¡and ¡errors!)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 5 10 15 20 25

  • 0.01

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 Beta Functions [m] Dispersion [m] s [m] βx βy ηx

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Nonlinear ¡OpZcs ¡(cont.)

29

Peak ¡dispersion ¡8 ¡cm Compensate ¡chromaHcity ¡where ¡it’s ¡ created ¡➙ ¡limit ¡chromaHc ¡beta ¡beaHng

Klotz ¡& ¡Mülhaupt, ¡4GLS ¡WS, ¡SLAC, ¡1992

Original ¡idea: ¡dipoles ¡& ¡quads ¡ contain ¡sextupole ¡component ¡ ➙ ¡limited ¡tunability ¡& ¡poor ¡DA

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SLIDE 30
  • Strong ¡focusing ¡& ¡weak ¡bends ¡➙ ¡low ¡dispersion ¡➙ ¡strong ¡

chromaHc ¡sextupoles ¡➙ ¡intricate ¡nonlinear ¡opHcs ¡required ¡ to ¡achieve ¡large ¡DA ¡& ¡MA ¡(needs ¡to ¡remain ¡stable ¡under ¡influence ¡of ¡IDs ¡and ¡errors!)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 5 10 15 20 25

  • 0.01

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 Beta Functions [m] Dispersion [m] s [m] βx βy ηx

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Nonlinear ¡OpZcs ¡(cont.)

30

Peak ¡dispersion ¡8 ¡cm Compensate ¡chromaHcity ¡where ¡it’s ¡ created ¡➙ ¡limit ¡chromaHc ¡beta ¡beaHng

Klotz ¡& ¡Mülhaupt, ¡4GLS ¡WS, ¡SLAC, ¡1992

Original ¡idea: ¡dipoles ¡& ¡quads ¡ contain ¡sextupole ¡component ¡ ➙ ¡limited ¡tunability ¡& ¡poor ¡DA Sextupole ¡inserHons ¡in ¡focusing ¡ quadrupoles ¡& ¡sextupole ¡pairs ¡ flanking ¡dipoles QF SF QF

Photo ¡courtesy ¡J. ¡Björklund ¡Svensson

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/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Nonlinear ¡OpZcs ¡(cont.)

31

  • Natural ¡ξx,y ¡≈ ¡-­‑50 ¡➙ ¡strong ¡chromaHc ¡sextupoles ¡➙ ¡correct ¡

linear ¡chromaHcity ¡and ¡tailor ¡its ¡higher ¡orders ¡➙ ¡addiHonal ¡ sextupoles ¡used ¡to ¡minimize ¡first-­‑order ¡RDTs ¡(low ¡since ¡phase ¡adv. ¡≈ ¡2π×2, ¡2π×3/4)

PRST-­‑AB ¡12, ¡120701 ¡(2009) PRST-­‑AB ¡14, ¡030701 ¡(2011)

15 x [m] y [m] 5 10 20 25 2.0

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SLIDE 32

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Nonlinear ¡OpZcs ¡(cont.)

32

  • Natural ¡ξx,y ¡≈ ¡-­‑50 ¡➙ ¡strong ¡chromaHc ¡sextupoles ¡➙ ¡correct ¡

linear ¡chromaHcity ¡and ¡tailor ¡its ¡higher ¡orders ¡➙ ¡addiHonal ¡ sextupoles ¡used ¡to ¡minimize ¡first-­‑order ¡RDTs ¡(low ¡since ¡phase ¡adv. ¡≈ ¡2π×2, ¡2π×3/4)

  • Note: ¡many ¡short ¡sextupoles ¡allows ¡retaining ¡narrow ¡apertures ¡➙ ¡posiHve ¡MBA ¡

feedback ¡cycle. ¡On ¡the ¡other ¡hand, ¡blowing ¡up ¡dispersion ¡locally ¡to ¡reduce ¡sextupole ¡ gradients ¡➙ ¡increases ¡aperture ¡requirements ¡(Touschek ¡lifeHme) ¡➙ ¡negaHve ¡FB

PRST-­‑AB ¡12, ¡120701 ¡(2009) PRST-­‑AB ¡14, ¡030701 ¡(2011)

15 x [m] y [m] 5 10 20 25 2.0

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SLIDE 33

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Nonlinear ¡OpZcs ¡(cont.)

33

  • Natural ¡ξx,y ¡≈ ¡-­‑50 ¡➙ ¡strong ¡chromaHc ¡sextupoles ¡➙ ¡correct ¡

linear ¡chromaHcity ¡and ¡tailor ¡its ¡higher ¡orders ¡➙ ¡addiHonal ¡ sextupoles ¡used ¡to ¡minimize ¡first-­‑order ¡RDTs ¡(low ¡since ¡phase ¡adv. ¡≈ ¡2π×2, ¡2π×3/4)

  • Note: ¡many ¡short ¡sextupoles ¡allows ¡retaining ¡narrow ¡apertures ¡➙ ¡posiHve ¡MBA ¡

feedback ¡cycle. ¡On ¡the ¡other ¡hand, ¡blowing ¡up ¡dispersion ¡locally ¡to ¡reduce ¡sextupole ¡ gradients ¡➙ ¡increases ¡aperture ¡requirements ¡(Touschek ¡lifeHme) ¡➙ ¡negaHve ¡FB

PRST-­‑AB ¡12, ¡120701 ¡(2009) PRST-­‑AB ¡14, ¡030701 ¡(2011)

15 x [m] y [m] 5 10 20 25 2.0

Many Short Cells

for a given circumference

Small Bend Angle

Low Emittance

Limited Aperture Required

for decent MA and Touschek lifetime

Small Magnet Gaps Strong Gradients Short Magnets Low Dispersion Low Power/Cost

The$Mul(bend$Achromat$Cycle

(courtesy*A.*Streun,*PSI)

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SLIDE 34

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Nonlinear ¡OpZcs ¡(cont.)

34

  • Natural ¡ξx,y ¡≈ ¡-­‑50 ¡➙ ¡strong ¡chromaHc ¡sextupoles ¡➙ ¡correct ¡

linear ¡chromaHcity ¡and ¡tailor ¡its ¡higher ¡orders ¡➙ ¡addiHonal ¡ sextupoles ¡used ¡to ¡minimize ¡first-­‑order ¡RDTs ¡(low ¡since ¡phase ¡adv. ¡≈ ¡2π×2, ¡2π×3/4)

  • Note: ¡interleaving ¡schemes ¡where ¡RDTs ¡are ¡canceled ¡across ¡several ¡achromats ¡can ¡

be ¡dangerous ¡since ¡they’re ¡easily ¡perturbed ¡by ¡IDs ¡(in ¡ultralow-­‑emi6ance ¡rings ¡ε0 ¡≈ ¡ εID) ¡➙ ¡minimize ¡RDTs ¡within ¡achromat ¡instead

PRST-­‑AB ¡12, ¡120701 ¡(2009) PRST-­‑AB ¡14, ¡030701 ¡(2011)

15 x [m] y [m] 5 10 20 25 2.0

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SLIDE 35

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Nonlinear ¡OpZcs ¡(cont.)

35

  • Natural ¡ξx,y ¡≈ ¡-­‑50 ¡➙ ¡strong ¡chromaHc ¡sextupoles ¡➙ ¡correct ¡

linear ¡chromaHcity ¡and ¡tailor ¡its ¡higher ¡orders ¡➙ ¡addiHonal ¡ sextupoles ¡used ¡to ¡minimize ¡first-­‑order ¡RDTs ¡(low ¡since ¡phase ¡adv. ¡≈ ¡2π×2, ¡2π×3/4)

  • Strong ¡sextupoles ¡drive ¡large ¡ADTS ¡➙ ¡achromaHc ¡octupoles ¡

allow ¡tailoring ¡ADTS ¡to ¡first ¡order ¡➙ ¡minimize ¡tune ¡footprint

PRST-­‑AB ¡12, ¡120701 ¡(2009) PRST-­‑AB ¡14, ¡030701 ¡(2011)

15 x [m] y [m] 5 10 20 25 2.0

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SLIDE 36

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Nonlinear ¡OpZcs ¡(cont.)

36

  • Natural ¡ξx,y ¡≈ ¡-­‑50 ¡➙ ¡strong ¡chromaHc ¡sextupoles ¡➙ ¡correct ¡

linear ¡chromaHcity ¡and ¡tailor ¡its ¡higher ¡orders ¡➙ ¡addiHonal ¡ sextupoles ¡used ¡to ¡minimize ¡first-­‑order ¡RDTs ¡(low ¡since ¡phase ¡adv. ¡≈ ¡2π×2, ¡2π×3/4)

  • Strong ¡sextupoles ¡drive ¡large ¡ADTS ¡➙ ¡achromaHc ¡octupoles ¡

allow ¡tailoring ¡ADTS ¡to ¡first ¡order ¡➙ ¡minimize ¡tune ¡footprint

PRST-­‑AB ¡12, ¡120701 ¡(2009) PRST-­‑AB ¡14, ¡030701 ¡(2011)

15 x [m] y [m] 5 10 20 25 2.0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Fractional νy Fractional νx

sext. skew sext. skew sext. sext. skew sext. coupl.

  • sext. coupl.

skew quad coupl.

WP δ=-5% δ=-5% δ=+5% δ=+5% ∆Ax=±12.5 mm ∆Ax=±12.5 mm ∆Ay=±6 mm ∆Ay=±6 mm

Sextupoles ¡& ¡Octupoles Sextupoles ¡only

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SLIDE 37

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Nonlinear ¡OpZcs ¡(cont.)

37

  • Natural ¡ξx,y ¡≈ ¡-­‑50 ¡➙ ¡strong ¡chromaHc ¡sextupoles ¡➙ ¡correct ¡

linear ¡chromaHcity ¡and ¡tailor ¡its ¡higher ¡orders ¡➙ ¡addiHonal ¡ sextupoles ¡used ¡to ¡minimize ¡first-­‑order ¡RDTs ¡(low ¡since ¡phase ¡adv. ¡≈ ¡2π×2, ¡2π×3/4)

  • Strong ¡sextupoles ¡drive ¡large ¡ADTS ¡➙ ¡achromaHc ¡octupoles ¡

allow ¡tailoring ¡ADTS ¡to ¡first ¡order ¡➙ ¡minimize ¡tune ¡footprint

PRST-­‑AB ¡12, ¡120701 ¡(2009) PRST-­‑AB ¡14, ¡030701 ¡(2011)

15 x [m] y [m] 5 10 20 25 2.0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Fractional νy Fractional νx

sext. skew sext. skew sext. sext. skew sext. coupl.

  • sext. coupl.

skew quad coupl.

WP δ=-5% δ=-5% δ=+5% δ=+5% ∆Ax=±12.5 mm ∆Ax=±12.5 mm ∆Ay=±6 mm ∆Ay=±6 mm

Sextupoles ¡& ¡Octupoles Sextupoles ¡only

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OpZcs ¡CorrecZons

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  • Gradient ¡dipoles ¡equipped ¡with ¡pole-­‑face ¡strips ¡➙ ¡adjust ¡

verHcal ¡focusing ¡within ¡roughly ¡±4%

Photo ¡courtesy ¡M. ¡Johansson

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SLIDE 39

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

OpZcs ¡CorrecZons ¡(cont.)

39

  • Gradient ¡dipoles ¡equipped ¡with ¡pole-­‑face ¡strips ¡➙ ¡adjust ¡

verHcal ¡focusing ¡within ¡roughly ¡±4%

Photo ¡courtesy ¡M. ¡Johansson Photo ¡courtesy ¡A. ¡Nyberg

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SLIDE 40

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

OpZcs ¡CorrecZons ¡(cont.)

40

  • Gradient ¡dipoles ¡equipped ¡with ¡pole-­‑face ¡strips ¡➙ ¡adjust ¡

verHcal ¡focusing ¡within ¡roughly ¡±4%

  • Quadrupole ¡doublets ¡in ¡long ¡straights ¡➙ ¡match ¡opHcs ¡to ¡IDs ¡

and ¡restore ¡tunes ¡(ideally ¡makes ¡IDs ¡transparent ¡to ¡arc ¡opHcs)

15 x [m] y [m] 5 10 20 25 2.0

ID QDend QFend QFend QDend

PAC’11, ¡TUP235, ¡p.1262 IPAC’15, ¡TUPJE038

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/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

OpZcs ¡CorrecZons ¡(cont.)

41

  • All ¡sextupoles ¡and ¡octupoles ¡carry ¡auxiliary ¡winding
  • Can ¡be ¡powered ¡as: ¡(remotely ¡switchable)
  • dipole ¡correctors ¡(in ¡addiHon ¡to ¡dedicated ¡SOFB ¡& ¡FOFB ¡correctors)
  • auxiliary ¡sextupole ¡➙ ¡nonlinear ¡correcHons
  • skew ¡quadrupole ¡➙ ¡coupling ¡& ¡dispersion ¡control
  • upright ¡quadrupole ¡➙ ¡calibrate ¡BPMs ¡to ¡adjacent ¡sextupole/octupole

15 x [m] y [m] 5 10 20 25 2.0

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SLIDE 42
  • All ¡sextupoles ¡and ¡octupoles ¡carry ¡auxiliary ¡winding
  • Can ¡be ¡powered ¡as: ¡(remotely ¡switchable)
  • dipole ¡correctors ¡(in ¡addiHon ¡to ¡dedicated ¡SOFB ¡& ¡FOFB ¡correctors)
  • auxiliary ¡sextupole ¡➙ ¡nonlinear ¡correcHons
  • skew ¡quadrupole ¡➙ ¡coupling ¡& ¡dispersion ¡control
  • upright ¡quadrupole ¡➙ ¡calibrate ¡BPMs ¡to ¡adjacent ¡sextupole/octupole

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

OpZcs ¡CorrecZons ¡(cont.)

42 15 x [m] y [m] 5 10 20 25 2.0

Photo ¡courtesy ¡A. ¡Nyberg Photo ¡courtesy ¡A. ¡Nyberg

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SLIDE 43
  • Nonlinear ¡tuning ¡results ¡in ¡small ¡amplitude-­‑dependent ¡and ¡

chromaHc ¡tune ¡shi•s ¡(tracking ¡performed ¡with ¡Tracy-­‑3)

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

La6ce ¡& ¡OpZcs ¡Performance

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PRST-­‑AB ¡12, ¡120701 ¡(2009) PRST-­‑AB ¡14, ¡030701 ¡(2011)

42.196 42.198 42.2 42.202 42.204 42.206 2 4 6 8 10 x x, y [mm] Horizontal amplitude excursion Vertical amplitude excursion 16.27 16.272 16.274 16.276 16.278 16.28 16.282 16.284 16.286 16.288 2 4 6 8 10 y x, y [mm] Horizontal amplitude excursion Vertical amplitude excursion

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SLIDE 44
  • Nonlinear ¡tuning ¡results ¡in ¡small ¡amplitude-­‑dependent ¡and ¡

chromaHc ¡tune ¡shi•s ¡(tracking ¡performed ¡with ¡Tracy-­‑3)

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

La6ce ¡& ¡OpZcs ¡Performance ¡(cont.)

44

PRST-­‑AB ¡12, ¡120701 ¡(2009) PRST-­‑AB ¡14, ¡030701 ¡(2011)

42.196 42.198 42.2 42.202 42.204 42.206 2 4 6 8 10 x x, y [mm] Horizontal amplitude excursion Vertical amplitude excursion 16.27 16.272 16.274 16.276 16.278 16.28 16.282 16.284 16.286 16.288 2 4 6 8 10 y x, y [mm] Horizontal amplitude excursion Vertical amplitude excursion

42.13 42.14 42.15 42.16 42.17 42.18 42.19 42.2 42.21 42.22

  • 4
  • 2

2 4 16.25 16.26 16.27 16.28 16.29 16.3 16.31 16.32 x y p/p [%] x y

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SLIDE 45

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

La6ce ¡& ¡OpZcs ¡Performance ¡(cont.)

  • Nonlinear ¡tuning ¡results ¡in ¡small ¡amplitude-­‑dependent ¡and ¡

chromaHc ¡tune ¡shi•s ¡(tracking ¡performed ¡with ¡Tracy-­‑3)

  • Overall ¡tune ¡footprint ¡becomes ¡very ¡compact ¡both ¡on ¡and ¡
  • ff ¡momentum

– Large ¡on-­‑momentum ¡DA ¡ensures ¡good ¡injecHon ¡efficiency – Large ¡off-­‑momentum ¡DA ¡ensures ¡good ¡la8ce ¡MA

45

PRST-­‑AB ¡12, ¡120701 ¡(2009) PRST-­‑AB ¡14, ¡030701 ¡(2011)

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SLIDE 46
  • Nonlinear ¡tuning ¡results ¡in ¡small ¡amplitude-­‑dependent ¡and ¡

chromaHc ¡tune ¡shi•s ¡(tracking ¡performed ¡with ¡Tracy-­‑3)

  • Overall ¡tune ¡footprint ¡becomes ¡very ¡compact ¡both ¡on ¡and ¡
  • ff ¡momentum

– Large ¡on-­‑momentum ¡DA ¡ensures ¡good ¡injecHon ¡efficiency – Large ¡off-­‑momentum ¡DA ¡ensures ¡good ¡la8ce ¡MA

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

La6ce ¡& ¡OpZcs ¡Performance ¡(cont.)

46

PRST-­‑AB ¡12, ¡120701 ¡(2009) PRST-­‑AB ¡14, ¡030701 ¡(2011)

1 2 3 4 5 6 7

  • 15
  • 10
  • 5

5 10 15 y [mm] x [mm] Dynamic Aperture, =0.0% Dynamic Aperture, =4.5% Dynamic Aperture, =-4.5% Vacuum Chamber Physical Aperture Required Aperture

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SLIDE 47

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

La6ce ¡& ¡OpZcs ¡Performance ¡(cont.)

  • Nonlinear ¡tuning ¡results ¡in ¡small ¡amplitude-­‑dependent ¡and ¡

chromaHc ¡tune ¡shi•s ¡(tracking ¡performed ¡with ¡Tracy-­‑3)

  • Overall ¡tune ¡footprint ¡becomes ¡very ¡compact ¡both ¡on ¡and ¡
  • ff ¡momentum

– Large ¡on-­‑momentum ¡DA ¡ensures ¡good ¡injecHon ¡efficiency – Large ¡off-­‑momentum ¡DA ¡ensures ¡good ¡la8ce ¡MA – DA ¡stable ¡under ¡influence ¡of ¡IDs, ¡magnet ¡errors ¡& ¡misalignments

47

PRST-­‑AB ¡12, ¡120701 ¡(2009) PRST-­‑AB ¡14, ¡030701 ¡(2011)

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SLIDE 48

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

La6ce ¡& ¡OpZcs ¡Performance ¡(cont.)

  • Example: ¡10 ¡IVUs, ¡gaps ¡fully ¡closed, ¡ring ¡opHcs ¡matched, ¡

magnet ¡and ¡alignment ¡errors ¡included ¡(20 ¡seeds)

48

  • IVU ¡“pmuL”:

3.7 ¡m ¡long, ¡1.1 ¡T ¡peak ¡field, 18.5 ¡mm ¡period, ¡4.2 ¡mm ¡gap

  • Misalignments:

50 ¡µm ¡rms ¡H/V 0.2 ¡mrad ¡rms ¡roll 25 ¡µm ¡rms ¡H/V 0.2 ¡mrad ¡rms ¡roll

  • Field ¡Errors:

0.05% ¡rms ¡within ¡each ¡family

  • MulHpole ¡Errors:

Upright ¡and ¡skew ¡mulHpoles ¡added

for ¡each ¡magnet ¡block

}

for ¡all ¡magnets ¡within

}

PAC’11, ¡TUP235, ¡p.1262

1 2 3 4 5 6 7

  • 15
  • 10
  • 5

5 10 15 y [mm] x [mm] Ideal machine with 10 pmuL, δ=0.0% Machine with errors, δ=0.0% Standard vacuum chamber Actual physical aperture Required aperture

IPAC’15, ¡TUPJE038

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SLIDE 49

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

La6ce ¡& ¡OpZcs ¡Performance ¡(cont.)

  • Large ¡off-­‑momentum ¡DA ¡enables ¡generous ¡la8ce ¡MA
  • In ¡conjuncHon ¡with ¡appropriately ¡dimensioned ¡RF ¡system ¡

can ¡lead ¡to ¡large ¡overall ¡MA

49

PRST-­‑AB ¡17, ¡050705 ¡(2014)

MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡SR Ucav ¡= ¡1.8 ¡MV ¡(max) Target: ¡δacc ¡> ¡4.5%

  • incl. ¡vacuum ¡apertures
  • 10
  • 5

5 10 15 5 10 15 20 25 δ [%] s [m] Tracy-3 6D tracking results Ucav = 1.8 MV Ucav = 1.0 MV

La8ce ¡MA always ¡>5%

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SLIDE 50

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

La6ce ¡& ¡OpZcs ¡Performance ¡(cont.)

  • Large ¡off-­‑momentum ¡DA ¡enables ¡generous ¡la8ce ¡MA
  • In ¡conjuncHon ¡with ¡appropriately ¡dimensioned ¡RF ¡system ¡

can ¡lead ¡to ¡large ¡overall ¡MA

50

PRST-­‑AB ¡17, ¡050705 ¡(2014)

4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 2 4 6 8 10 12 14 16 18 8.6 8.8 9 9.2 9.4 9.6 9.8 10 400 500 600 700 800 δrf [%] σs [mm]

  • No. of installed IVUs

Radiated power [keV/turn] Ucav = 1.8 MV RF acceptance Bunch length

MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡SR Ucav ¡= ¡1.8 ¡MV ¡(max) Target: ¡δacc ¡> ¡4.5%

  • incl. ¡vacuum ¡apertures
  • 10
  • 5

5 10 15 5 10 15 20 25 δ [%] s [m] Tracy-3 6D tracking results Ucav = 1.8 MV Ucav = 1.0 MV

La8ce ¡MA always ¡>5% RF ¡acceptance always ¡>5%

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SLIDE 51

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

La6ce ¡& ¡OpZcs ¡Performance ¡(cont.)

  • Large ¡off-­‑momentum ¡DA ¡enables ¡generous ¡la8ce ¡MA
  • In ¡conjuncHon ¡with ¡appropriately ¡dimensioned ¡RF ¡system ¡

can ¡lead ¡to ¡large ¡overall ¡MA

51

PRST-­‑AB ¡17, ¡050705 ¡(2014)

4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 2 4 6 8 10 12 14 16 18 8.6 8.8 9 9.2 9.4 9.6 9.8 10 400 500 600 700 800 δrf [%] σs [mm]

  • No. of installed IVUs

Radiated power [keV/turn] Ucav = 1.8 MV RF acceptance Bunch length

MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡SR Ucav ¡= ¡1.8 ¡MV ¡(max) Target: ¡δacc ¡> ¡4.5%

  • incl. ¡vacuum ¡apertures
  • 10
  • 5

5 10 15 5 10 15 20 25 δ [%] s [m] Tracy-3 6D tracking results Ucav = 1.8 MV Ucav = 1.0 MV

La8ce ¡MA always ¡>5% RF ¡acceptance always ¡>5%

For ¡δRF ¡= ¡5%:

  • ¡1.1 ¡MV ¡@ ¡100 ¡MHz
  • ¡3.7 ¡MV ¡@ ¡500 ¡MHz

➙ ¡Cu ¡losses, ¡power ¡bill

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SLIDE 52
  • Large ¡overall ¡MA ¡is ¡required ¡if ¡ultralow ¡emi6ance

should ¡render ¡good ¡Touschek ¡lifeHme

(low ¡emi6ance ¡➙ ¡small ¡transverse ¡momenta ¡➙ ¡few ¡sca6ering ¡events ¡lead ¡to ¡actual ¡Touschek ¡loss)

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

La6ce ¡& ¡OpZcs ¡Performance ¡(cont.)

52

PRL ¡10, ¡407 ¡(1963)

  • J. ¡Le ¡Duff, ¡CERN ¡Yellow ¡Report ¡1989-­‑01

PRST-­‑AB ¡17, ¡050705 ¡(2014)

25 30 35 40 45 50 55 500 1000 1500 2000 τts (incl. LCs) [h] εx [pm rad] ε0 IBS τts incl. IBS (500 mA) τts

“TradiHonal” ¡ regime Ultralow-­‑emi6ance ¡ regime MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡SR ¡ (bare ¡la6ce) I ¡= ¡500 ¡mA δacc ¡= ¡4.5% σδ ¡= ¡const εy ¡= ¡8 ¡pm ¡rad

slide-53
SLIDE 53
  • Large ¡overall ¡MA ¡is ¡required ¡if ¡ultralow ¡emi6ance

should ¡render ¡good ¡Touschek ¡lifeHme

(low ¡emi6ance ¡➙ ¡small ¡transverse ¡momenta ¡➙ ¡few ¡sca6ering ¡events ¡lead ¡to ¡actual ¡Touschek ¡loss)

  • Use ¡300 ¡MHz ¡Landau ¡caviHes ¡to ¡stretch ¡bunches ¡×5

➙ ¡extend ¡Touschek ¡lifeHme ¡beyond ¡gas ¡lifeHme

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

La6ce ¡& ¡OpZcs ¡Performance ¡(cont.)

53

PRL ¡10, ¡407 ¡(1963)

  • J. ¡Le ¡Duff, ¡CERN ¡Yellow ¡Report ¡1989-­‑01

PRST-­‑AB ¡17, ¡050705 ¡(2014)

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SLIDE 54
  • Large ¡overall ¡MA ¡is ¡required ¡if ¡ultralow ¡emi6ance

should ¡render ¡good ¡Touschek ¡lifeHme

(low ¡emi6ance ¡➙ ¡small ¡transverse ¡momenta ¡➙ ¡few ¡sca6ering ¡events ¡lead ¡to ¡actual ¡Touschek ¡loss)

  • Use ¡300 ¡MHz ¡Landau ¡caviHes ¡to ¡stretch ¡bunches ¡×5

➙ ¡extend ¡Touschek ¡lifeHme ¡beyond ¡gas ¡lifeHme

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

La6ce ¡& ¡OpZcs ¡Performance ¡(cont.)

54

PRL ¡10, ¡407 ¡(1963)

  • J. ¡Le ¡Duff, ¡CERN ¡Yellow ¡Report ¡1989-­‑01

PRST-­‑AB ¡17, ¡050705 ¡(2014)

MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡SR ¡ (bare ¡la6ce) I ¡= ¡500 ¡mA δacc ¡= ¡4.5% εy ¡= ¡8 ¡pm ¡rad

25 30 35 40 45 50 55 500 1000 1500 2000 τts (incl. LCs) [h] εx [pm rad] ε0 IBS τts (IBS included for 500 mA) τts (IBS neglected)

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SLIDE 55
  • Large ¡overall ¡MA ¡is ¡required ¡if ¡ultralow ¡emi6ance

should ¡render ¡good ¡Touschek ¡lifeHme

(low ¡emi6ance ¡➙ ¡small ¡transverse ¡momenta ¡➙ ¡few ¡sca6ering ¡events ¡lead ¡to ¡actual ¡Touschek ¡loss)

  • Use ¡300 ¡MHz ¡Landau ¡caviHes ¡to ¡stretch ¡bunches ¡×5

➙ ¡extend ¡Touschek ¡lifeHme ¡beyond ¡gas ¡lifeHme

  • At ¡MAX ¡IV ¡LCs ¡are ¡indispensable ¡to

maintain ¡ultralow ¡emi6ance ¡despite ¡strong IBS ¡at ¡500 ¡mA ¡stored ¡current ¡(5 ¡nC/bunch)

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

La6ce ¡& ¡OpZcs ¡Performance ¡(cont.)

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PRL ¡10, ¡407 ¡(1963)

  • J. ¡Le ¡Duff, ¡CERN ¡Yellow ¡Report ¡1989-­‑01

PRST-­‑AB ¡17, ¡050705 ¡(2014)

  • A. ¡Piwinski, ¡Proc. ¡9th ¡HEAC, ¡SLAC, ¡1974
  • Part. ¡Accel. ¡17, ¡1 ¡(1985)
  • Part. ¡Accel. ¡13, ¡115 ¡(1983)

CERN-­‑AB-­‑2006-­‑002

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SLIDE 56
  • A. ¡Piwinski, ¡Proc. ¡9th ¡HEAC, ¡SLAC, ¡1974
  • Part. ¡Accel. ¡17, ¡1 ¡(1985)
  • Part. ¡Accel. ¡13, ¡115 ¡(1983)

CERN-­‑AB-­‑2006-­‑002

  • Large ¡overall ¡MA ¡is ¡required ¡if ¡ultralow ¡emi6ance

should ¡render ¡good ¡Touschek ¡lifeHme

(low ¡emi6ance ¡➙ ¡small ¡transverse ¡momenta ¡➙ ¡few ¡sca6ering ¡events ¡lead ¡to ¡actual ¡Touschek ¡loss)

  • Use ¡300 ¡MHz ¡Landau ¡caviHes ¡to ¡stretch ¡bunches ¡×5

➙ ¡extend ¡Touschek ¡lifeHme ¡beyond ¡gas ¡lifeHme

  • At ¡MAX ¡IV ¡LCs ¡are ¡indispensable ¡to

maintain ¡ultralow ¡emi6ance ¡despite ¡strong IBS ¡at ¡500 ¡mA ¡stored ¡current ¡(5 ¡nC/bunch)

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

La6ce ¡& ¡OpZcs ¡Performance ¡(cont.)

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PRL ¡10, ¡407 ¡(1963)

  • J. ¡Le ¡Duff, ¡CERN ¡Yellow ¡Report ¡1989-­‑01

PRST-­‑AB ¡17, ¡050705 ¡(2014)

50 100 150 200 500 1000 1500 2000 2500 εx growth from IBS [%] Lattice εx [pm rad] ε0 LCs included No LCs

IBS ¡emi_ance ¡blowup ¡13% ¡ instead ¡of ¡45% ¡at ¡natural ¡σs

MAX ¡IV ¡3 ¡GeV ¡SR ¡ (bare ¡la6ce) I ¡= ¡500 ¡mA δacc ¡= ¡4.5% σδ ¡≈ ¡const εy ¡= ¡8 ¡pm ¡rad

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SLIDE 57

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Recent ¡Developments

  • A6empts ¡to ¡find ¡alternate ¡nonlinear ¡opHcs ¡with ¡MOGA ¡➙ ¡so ¡

far ¡nothing ¡substanHally ¡superior

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SLIDE 58
  • A6empts ¡to ¡find ¡alternate ¡nonlinear ¡opHcs ¡with ¡MOGA ¡➙ ¡so ¡

far ¡nothing ¡substanHally ¡superior

  • Started ¡thinking ¡about ¡first ¡“upgrades”

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Recent ¡Developments ¡(cont.)

58

http://www.maxlab.lu.se/strategy_report

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SLIDE 59
  • A6empts ¡to ¡find ¡alternate ¡nonlinear ¡opHcs ¡with ¡MOGA ¡➙ ¡so ¡

far ¡nothing ¡substanHally ¡superior

  • Started ¡thinking ¡about ¡first ¡“upgrades”

– Improved ¡matching ¡to ¡IDs ¡(coupling, ¡opHcs ¡in ¡straights) – Increase ¡focusing ¡in ¡arc ¡➙ ¡εx ¡reduced ¡to ¡269 ¡pm ¡rad ¡(-­‑18%) ¡while ¡ retaining ¡saHsfactory ¡DA ¡& ¡lifeHme ¡➙ ¡+40% ¡brightness

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Recent ¡Developments ¡(cont.)

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PAC’13, ¡MOPHO05, ¡p.243 IPAC’14, ¡TUPRI026, ¡p.1615

15 x [m] y [m] 5 10 20 25 2.0

ideally: ¡βx,y* ¡= ¡LID/2π ¡≈ ¡0.6 ¡m

2 4 6 8 10 12 14 16 2 4 6 8 10 12

  • 0.01

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 Beta Functions [m] Dispersion [m] s [m]

  • 17%
  • 48%
  • 20%

βx βy ηx

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SLIDE 60
  • A6empts ¡to ¡find ¡alternate ¡nonlinear ¡opHcs ¡with ¡MOGA ¡➙ ¡so ¡

far ¡nothing ¡substanHally ¡superior

  • Started ¡thinking ¡about ¡first ¡“upgrades”

– Improved ¡matching ¡to ¡IDs ¡(coupling, ¡opHcs ¡in ¡straights) – Increase ¡focusing ¡in ¡arc ¡➙ ¡εx ¡reduced ¡to ¡269 ¡pm ¡rad ¡(-­‑18%) ¡while ¡ retaining ¡saHsfactory ¡DA ¡& ¡lifeHme ¡➙ ¡+40% ¡brightness – Further ¡opHcs ¡tuning ¡ongoing ¡➙ ¡should ¡allow ¡pushing ¡towards εx ¡≈ ¡200 ¡pm ¡rad, ¡but ¡nonlinear ¡opHcs ¡become ¡challenging ¡➙ ¡plan ¡to ¡ further ¡invesHgate ¡using ¡MOGA – Lower ¡βx,y ¡in ¡straights ¡and ¡εx ¡≈ ¡150 ¡pm ¡rad ¡➙ ¡will ¡require ¡on-­‑axis ¡ injecHon ¡➙ ¡started ¡thinking ¡about ¡dipole ¡kicker ¡for ¡single-­‑bunch ¡

  • n-­‑axis ¡injecHon ¡➙ ¡potenHal ¡for ¡enHrely ¡new ¡IDs

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Recent ¡Developments ¡(cont.)

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PAC’13, ¡MOPHO05, ¡p.243 IPAC’14, ¡TUPRI026, ¡p.1615

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SLIDE 61
  • A6empts ¡to ¡find ¡alternate ¡nonlinear ¡opHcs ¡with ¡MOGA ¡➙ ¡so ¡

far ¡nothing ¡substanHally ¡superior

  • Started ¡thinking ¡about ¡first ¡“upgrades”

– Improved ¡matching ¡to ¡IDs ¡(coupling, ¡opHcs ¡in ¡straights) – Increase ¡focusing ¡in ¡arc ¡➙ ¡εx ¡reduced ¡to ¡269 ¡pm ¡rad ¡(-­‑18%) ¡while ¡ retaining ¡saHsfactory ¡DA ¡& ¡lifeHme ¡➙ ¡+40% ¡brightness – Further ¡opHcs ¡tuning ¡ongoing ¡➙ ¡should ¡allow ¡pushing ¡towards εx ¡≈ ¡200 ¡pm ¡rad, ¡but ¡nonlinear ¡opHcs ¡become ¡challenging ¡➙ ¡plan ¡to ¡ further ¡invesHgate ¡using ¡MOGA – Lower ¡βx,y ¡in ¡straights ¡and ¡εx ¡≈ ¡150 ¡pm ¡rad ¡➙ ¡will ¡require ¡on-­‑axis ¡ injecHon ¡➙ ¡started ¡thinking ¡about ¡dipole ¡kicker ¡for ¡single-­‑bunch ¡

  • n-­‑axis ¡injecHon ¡➙ ¡potenHal ¡for ¡enHrely ¡new ¡IDs

/62 Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015

Recent ¡Developments ¡(cont.)

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PAC’13, ¡MOPHO05, ¡p.243 IPAC’14, ¡TUPRI026, ¡p.1615 Photo ¡courtesy ¡E. ¡Al-­‑dmour

Closing ¡last ¡achromats, ¡ge6ng ¡ready to ¡start ¡ring ¡commissioning ¡Aug ¡2015

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Simon ¡C. ¡Leemann 1st ¡Workshop ¡on ¡Low ¡Emi6ance ¡La8ce ¡Design, ¡April ¡23-­‑24, ¡2015 /62

Thank ¡you ¡for ¡your ¡a_enZon!

Photo ¡courtesy ¡P. ¡Nordeng, ¡Feb ¡5, ¡2015 ¡

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