Monte Carlo simulations of ultra high vacuum and synchrotron radiation for particle accelerators

195 Pages·2016·59.56 MB·English

by  Ady, Márton

MONTE CARLO SIMULATIONS OF ULTRA HIGH VACUUM
AND SYNCHROTRON RADIATION FOR PARTICLE
ACCELERATORS
THÈSE NO 7063 (2016)
PRÉSENTÉE LE 15 SEPTEMBRE 2016
À LA FACULTÉ DES SCIENCES DE BASE
LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES ACCÉLÉRATEURS DE PARTICULES
PROGRAMME DOCTORAL EN PHYSIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
PAR
Márton ADY
acceptée sur proposition du jury:
Prof. C. Hébert, présidente du jury
Prof. L. Rivkin, R. Kersevan, directeurs de thèse
Dr K. Oide, rapporteur
Prof. M. Eriksson, rapporteur
Prof. M. Q. Tran, rapporteur
Suisse
2016

Résumé
Avec la préparation de Hi-Lumi LHC en cours, et les machines du FCC à l’étude, les ac-
célérateurs atteindront des énergies sans précédent et donc une très grande quantité de
rayonnementsynchrotron(SR),provocantladésorptiondephotoélectronsetdemolécules
depuislesparoisdel’accélérateur.Cesdésorptionscontribuentàl’accumulationdenuage
d’électronsetaugmententlapressionrésiduelle-lesdeuxeffetsréduisantladuréedeviedu
faisceau. Danslesaccélérateursactuels,lesdeuxeffetssontparmilesprincipauxfacteurs
limitants.Lecalculprécisdurayonnementsynchrotronetdelapressionestdoncunenjeu
importantdèslaphasedeconception.
Ceprojetdethèsedécritlamodernisationetlamiseàjourmajeurededeuxcodes,Molflow
et Synrad, écrits originellement par R. Kersevan dans les années 1990. Ils sont basés sur
laméthodedeMonteCarloàparticulesdetest,etpermettentlescalculsdelapressionen
conditiondel’ultra-videetdurayonnementsynchrotron.Lesnouvellesversionscontiennent
delanouvellephysique,etsontconstruitescommeunoutiltout-en-unmisàladisposition
dupublic.
Lesméthodesdecalculdevideexistantessontrésumées.LesalgorithmesutilisésparMolflow
relatifsaucalculdesétatsstationnaireetévolutifsontensuiteprésentés.Certainesdesbonnes
pratiquespourcontrerlesproblèmeslespluscommunsqueposelasimulationdessystèmes
degrandesdimensionssontégalementdiscutées. Lesrésultatsissusdelasimulationsont
comparésàceuxissusdelathéorie,etvalidéspardeuxexpériences.
LesprincipalesétapesdesimulationderayonnementsynchrotronsontEnsuiteprésentées.
LesPropriétésduSRsontrésumées,ainsiquelesoptimisationsquipermettentdesimulerune
physiquesous-jacenteplutôtcomplexeàunevitessesupérieure.Lesrésultatsdel’algorithme
degénérationdephotonsdulogicielsontcomparésauxdonnéespubliées.
Lephénomènedeladésorptionstimuléeparphotonsetsalittératuresontrésumés,puisles
deuxexpériencesdédiéesdephotodésorptionmenéesáKEK(Tsukuba,Japon)sontprésentées:
l’uneréaliséeàpartirdesixéchantillonsàtempératureambianteetl’autreàtempératurede
l’azoteliquide.
Uncalculsimplederayonnementsynchrotronesteffectuépourlarégiond’interactionLHeC,
permettantlacomparaisondesrésultatsdeSynrad+etdescalculsanalytiquespubliés.Les
calculsontensuiteétérépétésprenantencompteunedescriptionplusprécisedelagéométrie.
Leprofildepressiond’unabsorbeurenYdelasourcedelumièreMaxIV(démarréerécem-
ment)estcalculéenutilisantàlafoisMolFlow+etSynrad+.
Enfin,l’analysedelapressiondanslarégiond’interactionSuperKEKBestprésentée.Ellecom-
prendlamodélisationdelachambreàvideetdusystèmeoptique,lecalculdurayonnement
synchrotron,puislessimulationsdepression.Ilestconfirméquelapressionainsicalculée
lorsdufonctionnementdelamachinerépondauxexigencesdeconception.
i

Abstract
WithpreparationofHi-LumiLHCfullyunderway,andtheFCCmachinesunderstudy,acceler-
atorswillreachunprecedentedenergiesandalongwithitverylargeamountofsynchrotron
radiation(SR).Thiswilldesorbphotoelectronsandmoleculesfromacceleratorwalls,which
contributetoelectroncloudbuildupandincreasetheresidualpressure-botheffectsreducing
thebeamlifetime.Incurrentacceleratorsthesetwoeffectsareamongtheprincipallimiting
factors,thereforeprecisecalculationofsynchrotronradiationandpressurepropertiesarevery
important,desirablyintheearlydesignphase.
ThisPhDprojectshowsthemodernizationandamajorupgradeoftwocodes,Molflowand
Synrad,originallywrittenbyR.Kersevaninthe1990s,whicharebasedonthetest-particle
MonteCarlomethodandallowultra-highvacuumandsynchrotronradiationcalculations.
Thenewversionscontainnewphysics,andarebuiltasanall-in-onepackage-availabletothe
public.
Existingvacuumcalculationmethodsareoverviewed,thenthesteady-stateandtime-dependent
algorithmsbehindtheultra-highvacuumsimulatorMolflowarepresented.Somepracticesto
tacklethemostcommonproblemsthatarisewhensimulatinglargesystemsarealsodiscussed.
Resultsarecomparedtotheory,andvalidatedthroughtwoexperiments.
Next the the main steps of synchrotron radiation simulations are presented. Properties
ofSRaresummarized,alongwithoptimizationsthatallowsimulatingtherathercomplex
underlyingphysicsatahigherspeed.Theresultingsoftware’sphotongenerationalgorithmis
benchmarkedagainstpublisheddata.
Thephenomenonofphotonstimulateddesorptionanditsliteratureisoverviewed,thentwo
dedicatedphotodesorptionexperimentscarriedoutinKEK(Tsukuba,Japan)arepresented:
onewithsixroom-temperaturesamplesandanotheratliquidnitrogentemperature.
AsimplesynchrotronradiationcalculationisperformedfortheLHeCinteractionregion,al-
lowingtocompareSynrad+resultswithpublishedanalyticcalculations.Thenthecalculations
arerepeatedforamoreprecisegeometrydescription.
ThepressureprofileofacrotchabsorberoftherecentlystartedMaxIVlightsourceiscalculated
usingMolflow+andSynrad+together.
FinallythepressureanalysisoftheSuperKEKBinteractionregionispresented,consisting
ofmodelingthevacuumchamberandtheoptics,calculatingsynchrotronradiation,then
performingvacuumsimulations.Itisconfirmedthatpressureisexpectedtomeetthedesign
requirementsduringoperationofthemachine.
Keywords:
UltraHighVacuum,SynchrotronRadiation,PhotonStimulatedDesorption,LHeC,MaxIV,
SuperKEKB,Molflow,Synrad
iii

Acknowledgements
DoingaPhDismuchmorefunwhenoneisnotalone:IhadthechancetobepartofCERN’s
Vacuum and Surface Coatings group during this project, whose all members I owe many
thanksforthehelpIgotthroughtheyears.
I’dliketoacknowledgeafewpeoplewhohavebeenspeciallyhelpfultomeandmentionthem
byname:
Firstofall,RobertoKersevanforguidingmethroughthisthesisasmysupervisor.Forallthe
workpresentedbelow,hemustbecreditedforhavingabrilliantideatwentyyearsagoand
creating-muchaheadofthetimes-thefirstversionsoftheMonteCarlocodesIbuiltupon.
Noneofmyrecentworkwouldhavebeenpossiblewithoutthegoodfoundationsandthe
continuoussupportheprovided-thankyou!
LeonidRivkinforsupervisingmyworkfromtheuniversityside,andprovidingstrategicadvice
atcrucialmomentsoftheproject.
OurgroupleaderPaoloChiggiatoforofferingtheopportunitytopursueaPhDatCERNinthe
firstplace,andthengoingoutofhiswaymakingitpossiblethatIparticipateinworkshops,
schoolsandexperimentsintheUK,USandJapan-makingmydoctoralstudiesmuchmore
colorfulthanexpected.
YasunoriTanimotoforthewarmwelcomeatKEKandtheexcellentpreparationofourexperi-
mentsthatwereaveryimportantmilestoneofmydoctoralstudies.
Jason Carter from APS for giving a helping hand with the SuperKEKB case study, and the
abundantfeedbackthathelpedmakingSynradbetter.
AlanVanDrie fromTriAlphaEnergyforhisexcellenthandnotesaboutgasdynamicsand
helpfulMolflowfeedback.
PedroC.Pinto,AntoniosSapountzis,BenjaminHolliger,WilhelmusVollenberg,BertholdJen-
ninger and Mario Armin Hermann for all the help with the sample preparations and the
experiments.
ChristinaYinVallgrenforshowingthewaytofinishingaPhDandgivingadvicesomanytimes
nexttoacoffee,ÁkosHenczandThibautRichardfortheirentertainingcompanythroughout
theyearsandIdaAichingerforbeingthebestMathematicaandLatexexpertintheoffice.
Finally,myfamily:theywerethereallthetime,helpingthroughouttheyears.
Geneva,3Mars2016 MártonAdy
v

Contents
Abstract iii
Acknowledgements v
Introduction 1
1 Vacuumcalculations 3
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Analyticmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2 Analogytoelectricalnetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.3 Angularcoefficientmethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.4 Commercialsimulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.5 MonteCarlomethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Molflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.1 Steady-statesimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.2 Time-dependentMolflow+simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.3 Post-processinginMolflow+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.2.4 Sectioningthegeometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.2.5 Theoreticalvalidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.2.6 Experimentalvalidation(CERN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.2.7 Experimentalvalidation(LIGO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2 Synchrotronradiationsimulations 51
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2 Definingmagneticregions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2.1 Location,curvatureandbeamdirection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.2.2 Beamwidthanddivergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.3 Synchrotronradiationproperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3.1 Spectrum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3.2 Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.3.3 Verticaldistributionandpolarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3.4 Horizontaldistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.4 Photongenerationprocess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.4.1 Sourcepointchoice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.4.2 Choosingphotonenergy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.4.3 Choosingverticalangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.4.4 Choosinghorizontalangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
vii
Contents
2.4.5 Reverseinterpolatinginacumulativedistributionfunction . . . . . . . . 66
2.4.6 Validity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.5 Photontracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.5.1 Photonreflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.5.2 Roughsurfacescattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.5.3 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.5.4 Low-fluxmode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3 Photonstimulateddesorption 89
3.1 PSDdatainliterature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.1.1 Pressurecalculationmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.1.2 Conversionbetweenlinearandsurfacedose . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.2 ExperimentsatKEK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.2.1 Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.2.2 Experimentalsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2.3 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.2.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.2.5 Experimentsummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.3 ExperimentsatliquidN temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
2
3.3.1 Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.3.2 Experimentalsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4 Casestudies 119
4.1 SimulationofSRpowerfortheLHeCinteractionregionquadrupoles . . . . . . 119
4.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.1.2 TheIRregionoftheLHeC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.1.3 Magneticregions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.1.4 Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.1.5 Results(approximategeometry) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.1.6 Precisesolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.1.7 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.2 TheMAXIVcrotchabsorberproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.2.2 Synchrotronradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.2.3 Vacuumsimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.3 TheSuperKEKBinteractionregion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.3.1 TheBelleexperiment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.3.2 Vacuumchambermodeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.3.3 Theinteractionregionoptics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.3.4 Synchrotronradiationsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.3.5 PSDconversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.3.6 Thevacuumsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.3.7 Vacuumsimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.3.8 Effectsofroughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.3.9 Discussionofresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
viii