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Radiation damping

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3602: 2767: 1816: 2442: 1506: 116:
magnets to induce more synchrotron radiation. These are devices with periodic magnetic fields that cause the particles to oscillate transversely, equivalent to many small tight turns. These operate using the same principle as damping rings and this oscillation causes the charged particles to emit
88:
is reached at the design energy of the accelerator. Since this is not happening in transverse direction, where the emittance of the beam is only increased by the quantization of radiation losses (quantum effects), the transverse equilibrium emittance of the particle beam will be smaller with large
2762:{\displaystyle P_{\gamma }={\frac {2}{3}}{\frac {r_{e}c}{(m_{e}c^{2})^{3}}}{\frac {E^{4}}{\rho ^{2}}}={\frac {2}{3}}{\frac {r_{e}c}{m_{e}c^{2}}}{\frac {\gamma ^{2}E^{2}}{\rho ^{2}}}={\frac {2}{3}}r_{e}c{\frac {\gamma ^{3}E}{\rho ^{2}}}={\frac {2}{3}}r_{e}m_{e}c^{3}{\frac {\gamma ^{4}}{\rho ^{2}}}} 3018: 1420: 1018: 1811:{\displaystyle P_{\gamma }={\frac {e^{2}\gamma ^{2}}{6\pi \epsilon _{0}{m_{0}}^{2}c^{3}}}\left(e\beta cB\right)^{2}={\frac {e^{4}\beta ^{2}\gamma ^{2}B^{2}}{6\pi \epsilon _{0}{m_{0}}^{2}c}}={\frac {e^{4}}{6\pi \epsilon _{0}{m_{0}}^{4}c^{5}}}\beta ^{2}E^{2}B^{2}} 2059: 740: 2402: 2207: 3274: 614: 291: 879: 3130: 1144: 1498: 2902: 1884: 1280: 120:
The many small turns in an undulator have the advantage that the cone of synchrotron radiation is all in one direction, forward. This is easier to shield than the broad fan produced by a large turn.
890: 1270: 372: 2835: 1926: 797: 1201: 2256: 1961: 1069: 2093: 497: 2894: 3366: 3320: 620: 403: 2311: 96:(low curvature radii) increase the emission of synchrotron radiation, damping rings are often small. If long beams with many particle bunches are needed to fill a larger 1953: 320: 427: 3440: 2856: 2790: 2435: 2303: 528: 3460: 2276: 451: 3408: 2101: 3141: 3643: 535: 77: 2069:
Here are some usefull formulas to calculate the power radiated by an electron accelerated by a magnetic field perpendicular to the velocity and
134: 805: 3533: 3672: 3030: 3013:{\displaystyle \rho =\left|{\frac {ds}{d\varphi }}\right|\approx {\frac {\Delta _{s}}{\sqrt {{\Delta _{x'}}^{2}+{\Delta _{y'}}^{2}}}}} 1077: 1431: 1415:{\displaystyle P_{\perp }={\frac {e^{2}\gamma ^{2}}{6\pi \epsilon _{0}{m_{0}}^{2}c^{3}}}\left({\frac {dp_{\perp }}{dt}}\right)^{2}} 76:, thereby reducing the size of their momentum vectors (relative to the design orbit) without changing their orientation (ignoring 1828: 1013:{\displaystyle P_{\parallel }={\frac {e^{2}}{6\pi \epsilon _{0}{m_{0}}^{2}c^{3}}}\left({\frac {dp_{\parallel }}{dt}}\right)^{2}} 80:
for the moment). In longitudinal direction, the loss of particle impulse due to radiation is replaced by accelerating sections (
3667: 3636: 3662: 128:
The power radiated by a charged particle is given by a generalization of the Larmor formula derived by Liénard in 1898
3024: 108:
When faster damping is required than can be provided by the turns inherent in a damping ring, it is common to add
20: 3629: 2408: 1206: 325: 3550: 2799: 1889: 759: 2858:
can also be derived from particle coordinates (using common 6D phase space coordinates system x,x',y,y',s,
2054:{\displaystyle P_{\gamma }={\frac {e^{2}c}{6\pi \epsilon _{0}}}{\frac {\beta ^{4}\gamma ^{4}}{\rho ^{2}}}} 1155: 746: 2215: 3471: 113: 85: 73: 64:
to reduce the particles' momentum, then replacing the momentum only in the desired direction of motion.
61: 46: 38: 34: 52:
The two main ways of using radiation damping to reduce the emittance of a particle beam are the use of
1031: 735:{\displaystyle {\frac {dp}{dt}}=\gamma ^{3}{\frac {v.{\dot {v}}}{c^{2}}}m_{0}v+\gamma m_{0}{\dot {v}}} 2072: 463: 2861: 2397:{\displaystyle P_{\gamma }={\frac {e^{2}}{6\pi \epsilon _{0}c^{3}}}{\frac {\gamma ^{4}}{\rho ^{2}}}} 3609: 3325: 3279: 2793: 1823: 406: 381: 30: 3586: 3492: 3530: 1931: 296: 3576: 375: 3613: 412: 3413: 2841: 2775: 2413: 2281: 506: 3601: 3537: 2202:{\displaystyle P_{\gamma }={\frac {e^{4}}{6\pi \epsilon _{0}{m_{e}}^{4}c^{5}}}E^{2}B^{2}} 72:
As particles are moving in a closed orbit, the lateral acceleration causes them to emit
3462:
the multipole order, k=0 for a dipole,k=1 for a quadrupole,k=2 for a sextupole, etc...
3445: 3135: 2261: 436: 430: 42: 3371: 3269:{\displaystyle {\frac {b_{y}+ib_{x}}{B\rho }}=\sum _{n=0}^{k}(ia_{n}+b_{n})(x+iy)^{n}} 3656: 3572: 3512: 97: 3587:
Studies Pertaining to a Small Damping Ring for the International Linear Collider
609:{\displaystyle {\frac {d\gamma }{dt}}=\gamma ^{3}{\frac {v.{\dot {v}}}{c^{2}}}} 60:(often containing undulators), both relying on the same principle of inducing 37:
and longitudinal oscilations of the particle are damped due to energy loss by
109: 93: 81: 286:{\displaystyle P={\frac {e^{2}}{6\pi \epsilon _{0}c^{3}}}\gamma ^{6}\left} 500: 874:{\displaystyle {\frac {dp_{\parallel }}{dt}}=\gamma ^{3}m_{0}{\dot {v}}} 3540:
The Physics of Electron Storage Rings: An Introduction by Matt Sands
1028:
In case of an acceleration perpendicular to the longitudinal axis (
3589:, a report describing the constraints on minimum damping ring size. 3023:
Note: The transverse magnetic field is often normalized using the
3580: 3125:{\displaystyle B\rho ={\frac {10^{9}}{c}}E_{}\approx 3.3356E_{}} 1139:{\displaystyle {\frac {dp_{\perp }}{dt}}=\gamma m_{0}{\dot {v}}} 100:, the damping ring may be extended with long straight sections. 1493:{\displaystyle F_{\perp }={\frac {dp_{\perp }}{dt}}=ev\times B} 756:
In case of an acceleration parallel to the longitudinal axis (
3531:
http://www.slac.stanford.edu/pubs/slacreports/slac-r-121.html
3368:
the multipole field strengths (skew and normal) expressed in
1879:{\displaystyle {\dot {v}}={\frac {\beta ^{2}c^{2}}{\rho }}} 3617: 89:
radiation losses, compared to small radiation losses.
3448: 3416: 3374: 3328: 3282: 3144: 3033: 2905: 2864: 2844: 2802: 2778: 2445: 2416: 2314: 2284: 2264: 2218: 2104: 2075: 1964: 1934: 1892: 1831: 1509: 1434: 1283: 1209: 1158: 1080: 1034: 893: 808: 762: 623: 538: 509: 466: 439: 415: 384: 328: 299: 137: 19:
For the phenomenon in classical electrodynamics, see
3454: 3434: 3402: 3360: 3314: 3268: 3124: 3012: 2888: 2850: 2829: 2784: 2761: 2429: 2396: 2297: 2270: 2250: 2201: 2087: 2053: 1947: 1920: 1878: 1810: 1492: 1414: 1264: 1195: 1138: 1063: 1012: 873: 799:), the radiated power can be calculated as below 791: 734: 608: 522: 491: 445: 421: 397: 366: 314: 285: 84:) that are installed in the beam path so that an 1425:Using magnetic field perpendicular to velocity 3514:CERN Accelerator School: Synchrotron radiation 3637: 8: 1265:{\displaystyle 1-v^{2}/c^{2}=1/\gamma ^{2}} 367:{\displaystyle {\dot {v}}={\frac {dv}{dt}}} 3644: 3630: 3447: 3415: 3382: 3373: 3349: 3336: 3327: 3303: 3290: 3281: 3260: 3232: 3219: 3203: 3192: 3168: 3152: 3145: 3143: 3092: 3064: 3049: 3043: 3032: 3001: 2989: 2984: 2974: 2962: 2957: 2949: 2943: 2916: 2904: 2880: 2871: 2863: 2843: 2809: 2801: 2777: 2751: 2741: 2735: 2729: 2719: 2709: 2695: 2684: 2670: 2663: 2654: 2640: 2629: 2618: 2608: 2601: 2592: 2582: 2567: 2560: 2550: 2539: 2529: 2523: 2514: 2504: 2494: 2476: 2469: 2459: 2450: 2444: 2421: 2415: 2386: 2376: 2370: 2361: 2351: 2334: 2328: 2319: 2313: 2289: 2283: 2263: 2242: 2232: 2217: 2193: 2183: 2170: 2160: 2153: 2148: 2141: 2124: 2118: 2109: 2103: 2074: 2043: 2032: 2022: 2015: 2006: 1985: 1978: 1969: 1963: 1939: 1933: 1907: 1906: 1900: 1891: 1864: 1854: 1847: 1833: 1832: 1830: 1802: 1792: 1782: 1769: 1759: 1752: 1747: 1740: 1723: 1717: 1702: 1695: 1690: 1683: 1665: 1655: 1645: 1635: 1628: 1619: 1587: 1577: 1570: 1565: 1558: 1540: 1530: 1523: 1514: 1508: 1458: 1448: 1439: 1433: 1406: 1385: 1375: 1361: 1351: 1344: 1339: 1332: 1314: 1304: 1297: 1288: 1282: 1256: 1247: 1235: 1226: 1220: 1208: 1187: 1177: 1162: 1157: 1125: 1124: 1118: 1091: 1081: 1079: 1044: 1043: 1035: 1033: 1004: 983: 973: 959: 949: 942: 937: 930: 913: 907: 898: 892: 860: 859: 853: 843: 819: 809: 807: 772: 771: 763: 761: 721: 720: 714: 695: 683: 667: 666: 657: 651: 624: 622: 598: 582: 581: 572: 566: 539: 537: 514: 508: 480: 465: 438: 414: 389: 383: 344: 330: 329: 327: 298: 270: 259: 244: 243: 235: 229: 220: 205: 204: 190: 177: 167: 150: 144: 136: 3552:Particle Motion in Hamiltonian Formalism 3483: 3322:is the transverse field expressed in , 16:Way of focusing a charged particle beam 2830:{\displaystyle \rho ={\frac {E}{ecB}}} 1921:{\displaystyle \gamma m_{0}{\dot {v}}} 792:{\displaystyle {v}\times {\dot {v}}=0} 2278:is the perpendicular magnetic field, 1149:Inserting in Larmor's formula gives ( 7: 3598: 3596: 1196:{\displaystyle 1/(\gamma m_{0})^{2}} 884:Inserting in Larmor's formula gives 2251:{\displaystyle E=\gamma m_{e}c^{2}} 747:Relativistic_mechanics § Force 3616:. You can help Knowledge (XXG) by 2986: 2959: 2946: 2865: 14: 322:is the velocity of the particle, 3600: 1064:{\displaystyle {v}.{\dot {v}}=0} 2088:{\displaystyle \beta \approx 1} 492:{\displaystyle p=\gamma m_{0}v} 41:. It can be used to reduce the 3429: 3417: 3397: 3375: 3355: 3329: 3309: 3283: 3257: 3241: 3238: 3209: 3119: 3110: 3105: 3093: 3077: 3065: 2889:{\displaystyle \Delta p/p_{0}} 2511: 2487: 1184: 1167: 256: 232: 217: 201: 1: 3361:{\displaystyle (a_{n},b_{n})} 3315:{\displaystyle (b_{x},b_{y})} 398:{\displaystyle \epsilon _{0}} 3573:SLAC damping rings home page 530:is the mass of the particle. 3689: 3595: 3494:Classical Electromagnetism 3442:the particle position and 1948:{\displaystyle P_{\perp }} 744: 18: 3673:Accelerator physics stubs 3577:non-technical description 2409:classical electron radius 315:{\displaystyle v=\beta c} 3579:of the damping rings at 374:the acceleration, e the 3134:Field expansion (using 422:{\displaystyle \gamma } 117:synchrotron radiation. 104:Undulators and wigglers 3612:-related article is a 3491:Fitzpatrick, Richard. 3456: 3436: 3404: 3362: 3316: 3270: 3208: 3126: 3014: 2890: 2852: 2831: 2786: 2763: 2431: 2398: 2299: 2272: 2252: 2203: 2089: 2055: 1949: 1922: 1880: 1812: 1494: 1416: 1266: 1197: 1140: 1065: 1014: 875: 793: 736: 610: 524: 493: 447: 423: 399: 368: 316: 287: 33:is a phenomenum where 3668:Synchrotron radiation 3472:Particle beam cooling 3457: 3437: 3435:{\displaystyle (x,y)} 3405: 3363: 3317: 3271: 3188: 3127: 3015: 2891: 2853: 2851:{\displaystyle \rho } 2832: 2787: 2785:{\displaystyle \rho } 2764: 2432: 2430:{\displaystyle r_{e}} 2399: 2300: 2298:{\displaystyle m_{e}} 2273: 2253: 2204: 2090: 2056: 1950: 1923: 1881: 1813: 1495: 1417: 1267: 1198: 1141: 1066: 1015: 876: 794: 752:Linac and RF Cavities 745:Further information: 737: 611: 525: 523:{\displaystyle m_{0}} 494: 448: 424: 400: 369: 317: 288: 74:synchrotron radiation 62:synchrotron radiation 47:charged particle beam 39:synchrotron radiation 35:betatron oscillations 21:Abraham–Lorentz force 3446: 3414: 3372: 3326: 3280: 3142: 3031: 2903: 2862: 2842: 2800: 2776: 2443: 2414: 2312: 2282: 2262: 2216: 2102: 2073: 1962: 1932: 1890: 1829: 1507: 1432: 1281: 1207: 1156: 1078: 1032: 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Abraham–Lorentz force
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synchrotron radiation
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