l3 beam phasespace - northern illinois universitynicadd.niu.edu › ... › slides ›...

19
Charged par*cle beams and bunches defini’on, phase space and emi0ance, trace space, beam matrix and its evolu’on, phase space, Liouville’s theorem PHYS 790D Special topics in Beam Physics, Fall 2014 1

Upload: others

Post on 24-Jun-2020

9 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Charged  par*cle  beams  and  bunches  

 •  defini'on,    •  phase  space  and  emi0ance,  •  trace  space,    •  beam  matrix  and  its  evolu'on,    •  phase  space,  Liouville’s  theorem  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   1  

trajectory  of  a  single  par*cle  

•  classical  mechanics  use                            where                                                              posi'on  

                                                                                 canonical  momentum.  •                           form  a  set  of  canonical-­‐conjugate  variables  

•  alterna've  descrip'on  use  divergence                but                              are  not  canonical  conjugates.  

2  

(x,p)x ⌘ (x, y, z)p ⌘ (p

x

, py

, pz

)(x,p)

x

0 ⌘ p

x

/p

z

y0 ⌘ py/pz(x, x0)

phase  space  

trace  space  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014  

how  to  characterize  a  beam?  

•  Each  par'cle  in  the  beam  have  the  following  possible  a0ributes:  – posi'on,  momentum,    – charge,  mass,    – spin.    

•  We  will  exclusively  consider  single-­‐species  beam  so  that  only  posi'on  and  momentum  are  need  for  each  par'cle  in  the  beam.  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   3  

how  to  characterize  a  beam?  

•  Consider  a  beam  with  N  par'cles  •  each  are  characterized  by  2  vectors      – posi'on    – momentum  

•  so  we  have  6N  scalars!  •  instead  it  is  sufficient  for  most  purposes  to  describe  the  beam  with  macroscopic  quan''es  (beam  size,  divergence,…)  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   4  

x ⌘ (x, y, z)p ⌘ (p

x

, py

, pz

)

phase  space  portraits  

•  example  of  the  un-­‐damped    pendulum,    

 •  trajectories  in  phase  space  are  curves  with  constant  energy    

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   5  

[see  J.  Buon’s  lecture  “beam  phase  space  and  emi0ance”]  

unstable  fixed  points  

separatrix  

unstable  trajectories  

stable  trajectories  

phase  space  portraits  

•  phase  space  portraits  allows  to  “track”  the  trajectory  of  an  object  in  the  phase  space,    

•  phase-­‐space  portraits  difficult  to  interpret  for  an  ensemble  of  par'cle  

•  instead  use  Poincare    sec'on  that  shows    intersec'ons  of  the    phase  space  trajectories  with  a  plane  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   6  

[see  J.  Buon’s  lecture  “beam  phase  space  and  emi0ance”]  

phase  space…  

•  phase  space  portraits,  and  Poicare  maps  are  most  oben  referred  to  as  “phase  spaces”  in  beam  physics  (no  dis'nc'on)  

•  Also  for  non  periodic  system,  phase  spaces  oben  display  the  par'cle  coordinates  (for  the  full  beam  ensemble)  at  a  given  axial  loca'on  along  the  accelerator’s  beamline.    

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   7  

example  of  phase  space  in    beam  physics  

•  asdsad  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   8  [s

ee  J.  Buo

n’s  lecture  “be

am  phase  sp

ace  and  em

i0ance”]  

Courtesy  of  A.  Seymour  (NIU,  2014)  

trace  space  snapshot  

Poincare  (stroboscopic)  map  

phase  space  characteriza*on  

•  restrain  our  discussion  to                                or  actually                              ,  we  can  write  the  phase  space  density  distribu'on  as    with    

•  let’s  define  the  moments:          

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   9  

(x, px

)(x, x0)

F (x, x0)Z Z +1

�1F (x, x0)dxdx0 = 1

hxi =Z Z +1

�1xF (x, x0)dxdx0

hx0i =Z Z +1

�1x

0F (x, x0)dxdx0

hxx0i =Z Z +1

�1xx

0F (x, x0)dxdx0

hx2i =Z Z +1

�1x

2F (x, x0)dxdx0

hx02i =Z Z +1

�1x

02F (x, x0)dxdx0

2nd  order  moments  

1st  order  

mom

ents  

phase  space  characteriza*on  

•  for  simplicity  we  assume  the  1st-­‐order  moments  are  zero:                                    and      

•  we  define  the  beam  (or  covariance)  matrix  as  

•  the  matrix  is  definite  posi've  and          

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   10  

hx0i = 0 hxi = 0

⌃ =

hx2i hxx0ihxx0i hx02i

|⌃| � 0

beam  matrix  

•  oben  parameterized  in  term  of  Courant-­‐Snyder  parameters                                  :  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   11  

⌃ = "2x

�x

�↵x

�↵x

�x

�betatron  func'on   betatron  slope  

(↵x

,�x

)

�x

⌘ 1 + ↵2x

�x

determinant=1  

"

2x

⌘ hx2ihx2i � hxx0i2

propaga*on  of  beam  matrix  

•  ABCD  formalism  (see  Lecture  1):  

•  can  be  applied  to  the  beam  matrix  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   12  

accelerator  or  op'cal    beamline  with  n  components  

1  

X0 = (x0, x00) Xf = (xf , x

0f )

2   n  

Xf = RnRn�1...R3R3R1X0

propaga*on  of  beam  matrix  

•  first  recognize  that                                                    with                                                                and            is  the  transpose.      

•  so  that    

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   13  

⌃ = hXXX eXeXeXiX

X

X = (x, x0) eXXX

fXfXfXf = ]RX0X0X0 = fX0X0X0eR

XfXfXf = RX0X0X0

⌃f = R⌃0eR

emi?ance  conserva*on  

•  Since  the  determinant                                            and                so  that  the  determinant  of  the  beam  matrix  is  a            conserved  quan'ty                      ! geometric  emi?ance  is  conserved    •  this  is  actually  a  consequence  of  Liouville’s  theorem  (simple  case  though)  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   14  

|R| = 1

|⌃f | = |R⌃0eR| = |⌃0|

emi?ances  

•  The  canonical  emi0ance  is  a  conserved  quan'ty  for  linear  system  dominated  by  single-­‐par'cle  dynamics  

           •   Some'me  the  normalized  emi0ance  is  used:  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   15  

"

2n,x

= (��)2⇥hx2ihx02i � hxx0i2

⇤= (��"

x

)2

"

2n,c

=1

m

2c

2

⇥hx2ihp2

x

i � hxpx

i2⇤

emi0ances  have  the  dimension  of  length  

normalized  emi?ance  

•  star'ng  from    •  the  normlized  emi0ance  is  defined  by  wri'ng                                                                                    and  assuming      

•  this  is  OK  for  beam  with  small  spread  in  energy  (or  longitudinal  momentum),  in  some  type  of,  e.g.,  electron  source  this  approxima-­‐'on  does  not  always  hold.      

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   16  

"

2n,c

=1

m

2c

2

⇥hx2ihp2

x

i � hxpx

i2⇤

p

x

= x

0p

z

pz = hpi = mc��

back  to  the  phase-­‐space  density  distribu*on  

•  we  have  assume  the  phase  space  can  be  described  by  a  density  distribu'on  

•  It  is  convenient  to  approximate  the  beam  distribu'ons  by  analy'cal  func'on  

•  BUT  a  beam  is  a  ensemble  of  N  par'cles.    •  use  Klimontovich’s  distribu'on  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   17  

F (x, x0)

F (x, x0) =1

N

NX

i=1

�(x� xi, x0 � x

0i)

Dirac’s  func'on  (two-­‐dimensional  here)  

back  to  the  phase-­‐space  density  distribu*on  (cnt’d)  

•  Then  the  second  order  moment  are  

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   18  

hx2i = 1

N

NX

i=1

x

2i hx02i = 1

N

NX

i=1

x

02i

hxx0i = 1

N

NX

i=1

x

0ixi

concept  of  “equivalent  beams”  

•  the  “rms”  sta's'cal  descrip'on  of  a  beam    provide  an  “equivalent  beam  descrip'on”  

•  The  par'cle  distribu'on  is    view  as  “contained”  within    an  ellipse  with  equa'on:  

   •  other  descrip'ons  provide  an  analy'cal  form    for                                    .    

PHYS  790-­‐D  Special  topics  in  Beam  Physics,  Fall  2014   19  

F (x, x0)

x

x

2 + 2↵x

xx

0 + �

x

x

02 = "

x