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Beam Dynamics Meeting March 05 2007 1 Professur für Theoretische Elektrotechnik und Numerische Feldberechnung Sebastian Lange Simulation of Longitudinal Beam Dynamics Fachgebiet Theoretische Elektrotechnik und Numerische Feldberechnung PD Dr. Markus Clemens bastian Lange, Markus Clemens ir for Theory in Electrical Engineering and Computational Electromagnetics ulty of Electrical Engineering, Helmut-Schmidt-University, Hamburg il: [email protected] DESY Hamburg, March 05, 2007 DESY Beam Dynamics Meeting

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Professur für Theoretische Elektrotechnik und Numerische FeldberechnungSebastian Lange

Simulation of Longitudinal Beam Dynamics

Fachgebiet Theoretische Elektrotechnik und Numerische FeldberechnungPD Dr. Markus Clemens

Sebastian Lange, Markus ClemensChair for Theory in Electrical Engineering and Computational ElectromagneticsFaculty of Electrical Engineering, Helmut-Schmidt-University, HamburgEmail: [email protected]

DESY Hamburg, March 05, 2007

DESY Beam Dynamics Meeting

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• Introduction

• Overview LiTrack

• Optimization

• State of LSC Impedance Extension

• Summary and Next Steps

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Introduction

Example 1

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Introduction

Example 2

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• Introduction

• Overview LiTrack

• Optimization

• State of LSC Impedance Extension

• Summary and Next Steps

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Attributes of Original LiTrack Code

• Longitudinal phase space single bunch tracker

• RF acceleration

• Bunch compression up to 3rd order

• Cavity wakes

• Random distributions

Original Reference:

P. Emma and K.L.F. Bane, LiTrack: A FAST LONGITUDINAL PHASE SPACE TRACKING CODE WITH GRAPHICAL USER INTERFACE, PAC ’05 / SLAC-PUB-11035

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Extensions to LiTrack

• Set up by energy and momentum derivatives (“knobs”)

• Minimization of the longitudinal rms emittance

– Constrained minimization of the longitudinal rms emittance (SQP- local convergent)

– Penalty emittance minimization (GA - global convergent)

– Hybridization of both algorithms

• Systematic distribution

• Longitudinal space charge impedance (in the works)

• Manual / Documentation (draft available / under construction)

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The New GUI• Linac definitions by pics• Clearly arranged panels• New introduced menu bar• Parameter/target choice

• Optimization for more than one BC system.

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The Knob Panel

Known from specification:

Energy adjustment

Momentum chirp adjustment

Symmetry tuning Precision adjustment of tails

Reference:

M. Dohlus and T. Limberg, BUNCH COMPRESSION STABILITY DEPENDENCE ON

RF PARAMETERS

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The GUI Pictograms

Mark, no action

General Bunch Compression

Chicane (low angle approx.)

RF Linac

FIT-point (Peak current, energy, skewness, correlation coefficient and rms emittance )

End of track

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• Introduction

• Overview LiTrack

• Optimization

• State of LSC Impedance Extension

• Summary and Next Steps

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General Problem Description

Optimization aims:

• Minimal longitudinal rms emittance

subject to requirements

• Peak current

• Energy

• Symmetric current profile

• Positive correlation in phase space

• Bounds on the design variable

• Nonlinear Constrained Optimization

• Nonlinear Constraints

SQPApproximation of the start values

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Start Values by Genetic Algorithms

Determination of start values:

• Global optimization (GA)

Subject to Constraints• Positive correlation, else• Bounds on the design variable

GA Start values SQP Result

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Schema of Hybridization

GA

Start population

SQP

Result Start value

Result

Start population inthe space of bounds

Minimization of the penalty problem

Constrained optimization of thereal problem

Analogy to Hill-Climb-Algorithm:

• GA finds the hill

• SQP searches the crest

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Result 1 - Without Cavity Wakes

Time needed: 6.8 s

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Result 1- With Cavity Wakes

Time needed:79.3 s

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Result 1 – Start Values by GA Without Wakes

Time needed:4.5 min

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Result 2 – Without Wakes - GA Results

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Result 2 – Without Wakes - SQP Results

Time needed: 7.6 min

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• Introduction

• Overview LiTrack

• Optimization

• State of LSC Impedance Extension

• Summary and Next Steps

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Model Assumptions

• RF-Sections

Constant energy gradient

• Compressors / Drifts

Constant energy

• Beta function

from component list

in sections constant

• Beam size

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Analytical Modes of LSC

Analytical Integration

Possible alternatives to analytical model :

• Numerical Integration

• Adaptive Simpson quadrature

• Adaptive Lobatto quadrature

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Beta Function

Reference:

W. DeckingXFEL Componentlist 3.3

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• Introduction

• Overview LiTrack

• Optimization

• State of LSC Impedance Extension

• Summary and Next Steps

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Summary and Next Steps

Summary• Extension by knobs• Optimization of bunch compression system• New convenient GUI• Implementation of systematic distribution• Implementation of LSC impedance (in the works)• Documentation ((permanently) under construction)

Acknowledgement to Martin Dohlus and Torsten Limberg for guidance and many helpful discussions!

Future Work• Implementation of LSC impedances and wakes• Sensitivity analysis and search for insensitive working points• Improvement of the actual optimization design