<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1348042</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2024.1348042</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Implementation of the beam-loading effect in the tracking code RF-track based on a power-diffusive model</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Olivares Herrador et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fphy.2024.1348042">10.3389/fphy.2024.1348042</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Olivares Herrador</surname>
<given-names>Javier</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2540298/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/data-curation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/formal-analysis/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/investigation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/software/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/visualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Latina</surname>
<given-names>Andrea</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2396369/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/project-administration/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/software/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/supervision/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/validation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/visualization/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Aksoy</surname>
<given-names>Avni</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/supervision/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/validation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Fuster Mart&#x00ED;nez</surname>
<given-names>Nuria</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/investigation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/project-administration/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/supervision/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/validation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/visualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Gimeno</surname>
<given-names>Benito</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/investigation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/project-administration/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/supervision/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/validation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Esperante</surname>
<given-names>Daniel</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff4">
<sup>4</sup>
</xref>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/project-administration/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/supervision/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/validation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>CERN</institution>, <addr-line>Meyrin</addr-line>, <country>Switzerland</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Instituto de F&#xed;sica Corpuscular (IFIC)</institution>, <institution>CSIC-University of Valencia Calle Catedr&#xe1;tico Jos&#xe9; Beltr&#xe1;n Mart&#xed;nez</institution>, <addr-line>Paterna</addr-line>, <addr-line>Valencia</addr-line>, <country>Spain</country>
</aff>
<aff id="aff3">
<sup>3</sup>
<institution>Institute of Accelerator Technologies, Ankara University</institution>, <addr-line>Ankara</addr-line>, <country>Turkey</country>
</aff>
<aff id="aff4">
<sup>4</sup>
<institution>Department of Electronic Engineering&#x2014;ETSE</institution>, <institution>University of Valencia</institution>, <addr-line>Burjassot</addr-line>, <country>Spain</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2332039/overview">Yelong Wei</ext-link>, University of Science and Technology of China, China</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2596218/overview">Jiahang Shao</ext-link>, Institute of Advanced Science Facilities, China</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2597323/overview">Xingguang Liu</ext-link>, China Spallation Neutron Source, China</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2598297/overview">Valery Dolgashev</ext-link>, Stanford University, United States</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Javier Olivares Herrador, <email>javier.olivares.herrador@cern.ch</email>
</corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>15</day>
<month>03</month>
<year>2024</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2024</year>
</pub-date>
<volume>12</volume>
<elocation-id>1348042</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>01</day>
<month>12</month>
<year>2023</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>05</day>
<month>02</month>
<year>2024</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2024 Olivares Herrador, Latina, Aksoy, Fuster Mart&#x00ED;nez, Gimeno and Esperante.</copyright-statement>
<copyright-year>2024</copyright-year>
<copyright-holder>Olivares Herrador, Latina, Aksoy, Fuster Mart&#x00ED;nez, Gimeno and Esperante</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>The need to achieve high energies in particle accelerators has led to the development of new accelerator technologies, resulting in higher beam intensities and more compact devices with stronger accelerating fields. In such scenarios, beam-loading effects occur, and intensity-dependent gradient reduction affects the accelerated beam as a consequence of its interaction with the surrounding cavity. In this study, a power-diffusive partial differential equation is derived to account for this effect. Its numerical resolution has been implemented in the tracking code RF-Track, allowing the simulation of apparatuses where transient beam loading plays an important role. Finally, measurements of this effect have been carried out in the CERN Linear Electron Accelerator for Research (CLEAR) facility at CERN, finding good agreement with the RF-Track simulations.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>beam loading</kwd>
<kwd>LINAC</kwd>
<kwd>energy loss</kwd>
<kwd>tracking simulation</kwd>
<kwd>transient</kwd>
<kwd>high-intensity beam</kwd>
<kwd>CLEAR</kwd>
<kwd>gradient reduction</kwd>
</kwd-group>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>High-Energy and Astroparticle Physics</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>When a beam of charged particles travels through an accelerating structure, surface currents are generated in the surrounding conducting walls. These currents create electromagnetic (EM) fields that act on the beam, thus compromising the performance of the accelerator [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]. When it comes to radiofrequency (RF) cavities, the impact of these fields can be such that a reduction in the accelerating gradient takes place. This phenomenon is known as the beam-loading (BL) effect [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>].</p>
<p>The simplest model to understand the BL effect is to consider a pillbox. The calculation of the EM modes excited by a charged particle traveling on-axis [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>] shows that, among others, the fundamental accelerating mode (TM<sub>01</sub>) is excited. This exhibits a non-negligible on-axis longitudinal electric field (<italic>E</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub>), which effectively reduces the accelerating gradient.</p>
<p>Most accelerating structures show high-quality factors for the fundamental mode [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]. This implies that any excitation induced by the beam, such as the one described above, will persist in the cavities after the exciting bunch leaves the cavity. Therefore, a long-range transient effect is expected, meaning that late bunches will be decelerated by the EM field left by earlier bunches.</p>
<p>Beam-induced excitations are often described by wakefield formalism [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>]. In this context, the BL effect can be understood as a consequence of long-range longitudinal wakefields. For this reason, some tracking codes, like ELEGANT [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>] or PLACET [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>], implement self-consistent wakefield calculations based on the single-cell damped-oscillator model. However, this is a simple model that does not account for the effect of cavity coupling, which is crucial when considering BL in traveling-wave (TW) structures, where power flows from cell to cell.</p>
<p>ELEGANT and PLACET also offer the possibility of introducing externally computed wake functions with EM solvers like CST Studio [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>] or GdfidL [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>]. However, the biggest drawback of this approach is the computational time required by these calculations since the simulation of complete realistic structures usually takes days, which limits the performance of beam dynamic simulations and beam parameter tuning.</p>
<p>An alternative perspective of the BL effect is given in [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>], where the beam-induced field in standing-wave (SW) cavities is explained in terms of phasors for electron storage rings, and in [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>], where the BL effect is presented in terms of a power-diffusive partial differential equation (PDE), which is analyzed for beam-loading compensation.</p>
<p>In this paper, an implementation of the BL effect in the tracking code RF-Track [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>] is proposed, allowing the performance of beam dynamics simulations considering this phenomenon. For this, a unified description of the BL effect in both TW and SW structures overcoming ultrarelativistic assumptions (<italic>v</italic> &#x2243; <italic>c</italic>) is required. This has been achieved using a power-diffusive model similar to the model presented in [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>].</p>
<p>Therefore, the starting point of this work is the derivation of a PDE accounting for gradient reduction in TW structures. From this equation, an analogous expression for SW structures is obtained, allowing the generalization of the BL effect to non-ultrarelativistic scenarios such as electron photo-injectors. The resolution of these PDEs has been implemented into RF-Track, and simulations of the BL effect in realistic scenarios are shown and compared with measurements in the CERN Linear Electron Accelerator for Research (CLEAR) [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>].</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Power-diffusive model</title>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Quasi-static assumption</title>
<p>The consideration of transient scenarios requires describing EM fields under the quasi-static (QS) assumption [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>]. In such a case, <italic>E</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub> is expressed as<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m1">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>Re</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m2">
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:math>
</inline-formula> representing the imaginary unit, <italic>&#x3c9;</italic> representing the RF frequency, and <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> representing the so-called quasi-static phasor. This extension of the standard phasorial formalism admits that the amplitude of the harmonic EM fields depends on time, and its variation is much slower than the RF oscillation itself.</p>
<p>Let <italic>E</italic>
<sub>1</sub> &#x3d; <italic>E</italic>
<sub>1</sub>(<italic>z</italic>, <italic>t</italic>) and <italic>E</italic>
<sub>2</sub> &#x3d; <italic>E</italic>
<sub>2</sub>(<italic>z</italic>, <italic>t</italic>) be two electric fields whose time-dependent quasi-static phasors are <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m4">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m5">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. Furthermore, let <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> be the time average of a quantity <italic>f</italic> over an RF period <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m7">
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula>, defined as <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. Then, the following properties hold:<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m9">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtext>Re</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mtext>Re</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>Re</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2243;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>Re</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m11">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>Re</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2243;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>Re</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">2</xref> is obtained using the standard phasorial formalism, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">3</xref> is a direct consequence of the QS approximation <xref ref-type="bibr" rid="B22">[22],</xref> and Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">4</xref> is obtained using Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">2</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">3</xref>.</p>
<p>A first implication of the QS assumption is the temporal dependency of the following quantities defined in terms of the electric (<bold>
<italic>E</italic>
</bold>) and magnetic (<bold>
<italic>H</italic>
</bold>) fields:<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m12">
<mml:mtext>Volumetric&#x2009;density&#x2009;of&#x2009;stored&#x2009;EM&#x2009;energy&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">H</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m13">
<mml:mtext>Time</mml:mtext>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mtext>averaged&#x2009;stored&#x2009;EM&#x2009;energy&#x2009;density&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m14">
<mml:mtext>Stored&#x2009;energy&#x2009;per&#x2009;unit&#x2009;length&#x2009;in&#x2009;a&#x2009;cell</mml:mtext>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m15">
<mml:mtext>Time</mml:mtext>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mtext>averaged&#x2009;dissipated&#x2009;power&#x2009;in&#x2009;a&#x2009;cell</mml:mtext>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>diss</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tan</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m16">
<mml:mtext>Time</mml:mtext>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mtext>averaged&#x2009;dissipated&#x2009;power&#x2009;per&#x2009;unit&#x2009;length</mml:mtext>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>diss</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>diss</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m17">
<mml:mtext>Time</mml:mtext>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mtext>averaged&#x2009;power&#x2009;flow&#x2009;through&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>flow</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>where <italic>&#x25b;</italic>
<sub>0</sub> and <italic>&#x3bc;</italic>
<sub>0</sub> represent the electric permittivity and magnetic permeability of vacuum, respectively; <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m18">
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x2016;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> represents the squared norm of an arbitrary real (complex) vector <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m19">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; <italic>v</italic>
<sub>
<italic>g</italic>
</sub> represents the group velocity in the cell [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>]; <italic>R</italic>
<sub>
<italic>s</italic>
</sub> represents the surface resistance; and <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m21">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>tan</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula> represents the magnetic field tangential to the surface. <italic>z</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> denotes the beginning of the <italic>k</italic>&#x2013;th cell, <italic>L</italic> denotes its length, and <italic>V</italic>
<sub>
<italic>k</italic>
</sub> denotes its volume, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figures 1A</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F1">B</xref>.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Cell considerations: <bold>(A)</bold> sectional cut of an S-band structure showing two complete cells. <bold>(B)</bold> Cell schematic representation and dimensions.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-12-1348042-g001.tif"/>
</fig>
<p>From Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">4</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e6">6</xref>, the following identity emerges as a consequence of the QS approximation:<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The definition of the effective accelerating gradient in a cell (<italic>G</italic>
<sub>eff</sub>) is also affected by the QS assumption:<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m23">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>Re</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>where <italic>t</italic>
<sub>
<italic>q</italic>
</sub>(<italic>z</italic>) is the time of flight of a particle with charge <italic>q</italic> that enters the cell at time <italic>t</italic>
<sub>0</sub>. In a single cell within the RF period, particles are assumed to travel with a constant velocity <italic>v</italic>, expressed in terms of the speed of light <italic>c</italic>, through the factor <italic>&#x3b2;</italic> as <italic>v</italic> &#x3d; <italic>&#x3b2;c</italic>. Under this consideration, the expression of the time of flight is [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>]<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m24">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>From a physical point of view, <italic>G</italic>
<sub>eff</sub> is the mean electric field that affects a particle during its flight. The design of TW structures often requires on-crest acceleration, achieved when <italic>t</italic>
<sub>
<italic>q</italic>
</sub> is such that the field affecting the particle is <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m25">
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula>. In this case, <italic>G</italic>
<sub>eff</sub> matches the accelerating gradient (<italic>G</italic>), defined as<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m26">
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The magnitude relating <italic>G</italic> and <italic>G</italic>
<sub>eff</sub> is the time-transit factor <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>:<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m28">
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>Re</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>To relate <italic>G</italic> with the stored EM energy and the dissipated power, the quality factor (<italic>Q</italic>) and the normalized shunt impedance per unit length <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> should be examined. These magnitudes, which depend only on the dimensions of the cell and its material [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>], lead to the following relations [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>]:<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m30">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>diss</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m31">
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Derivation of a gradient reduction PDE in TW structures</title>
<p>The starting point for the derivation of a PDE describing gradient reduction in an accelerating structure is the Poynting theorem. Applied to the <italic>k</italic>th cell (see <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1B</xref>), it is expressed as [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m32">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>where <bold>
<italic>S</italic>
</bold> is the Poynting vector and <bold>
<italic>J</italic>
</bold> is the current density. Under the paraxial approximation (<italic>v</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub> &#x226B; <italic>v</italic>
<sub>
<italic>x</italic>
</sub>, <italic>v</italic>
<sub>
<italic>y</italic>
</sub>), the current density can be expressed as<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m33">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2243;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x302;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>where <italic>&#x3c1;</italic> is the volumetric charge density and <italic>&#x3b2;</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub> is assumed to be constant within a cell and period.</p>
<p>Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">18</xref> is time-averaged over a period. Using Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref>, considering only the on-axis longitudinal electric field, we obtain <disp-formula id="e20">
<mml:math id="m34">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x2207;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mtext>Re</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Then, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">20</xref> is integrated over the cell volume (see <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1B</xref>) and divided by <italic>L</italic>. Using the definition from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">7</xref> and denoting the longitudinal charge density as <italic>&#x3bb;</italic>
<sub>
<italic>q</italic>
</sub>, this results in<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m35">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">&#x222e;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold-script">S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>Re</mml:mtext>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>For the second term, it should be recalled that the Poynting vector relates to the power balance in the cell as [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m36">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">&#x222e;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold-script">S</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>diss</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>flow</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>flow</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Regarding the time integral of the last term of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">21</xref>, if a Gaussian bunch of charge <italic>q</italic>
<sub>bunch</sub> and bunch-size <italic>&#x3c3;</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub> are assumed, then <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m37">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>bunch</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Considering <italic>t</italic>
<sub>
<italic>q</italic>
</sub>(<italic>z</italic>) &#x2208; [<italic>t</italic>, <italic>t</italic> &#x2b; <italic>T</italic>] and <italic>&#x3c3;</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub>/<italic>c</italic> &#x226a; <italic>T</italic>, it can be simplified as<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m38">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>bunch</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Substituting Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">22</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">23</xref> into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">21</xref> and using the definitions in Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">7</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e14">14</xref>, we obtain<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m39">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>diss</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>flow</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>flow</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>For structures exhibiting high-resonant frequencies, their cells are short enough to assume the limit <italic>L</italic> &#x2192; 0 Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">24</xref>. This leads to the following expression:<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m40">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>diss</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>flow</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eff</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Finally, substituting Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">15</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e17">17</xref> into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">25</xref>, after manipulation, one obtains<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m41">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Equation <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">26</xref> shows that the gradient reduction in accelerating cavities takes place because of the power flow between cells, heat dissipation, and the beam&#x2013;cavity interaction. The last term of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">26</xref> is called the beam-loading term, and it captures the influence of the beam in gradient reduction. It depends linearly on the charge and the normalized shunt-impedance per unit length, i.e., the design of the cavity.</p>
<p>For the case of an ultrarelativistic beam with on-crest acceleration <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and point-like bunch (<italic>&#x3c3;</italic>
<sub>
<italic>z</italic>
</sub> &#x2192; 0), Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">26</xref> matches the proposed expression in [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>].</p>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>2.3 The particular case of a SW photo-injector</title>
<p>Standing-wave accelerating structures do not exhibit the power flow from cell to cell, meaning that the net input power entering the <italic>k</italic>th cell, <italic>P</italic>
<sub>input</sub>, has to be considered in the power balance since no flow from an external cell (coupler) feeds the structure. Therefore, the flux of the Poynting vector across the cell surface (see <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1B</xref>) has to be reconsidered as<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m43">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">&#x222e;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold-script">S</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>diss</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>input</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>For the input power <italic>P</italic>
<sub>input</sub>, the transient response of a resonator to the power provided by the source has to be considered as follows:<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m44">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>input</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>unloaded</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>with <italic>G</italic>
<sub>unloaded</sub> being the unloaded steady gradient that builds up in the cavity long-enough after the RF is turned on and &#x27e8;<italic>Q</italic>&#x27e9; being the loaded quality factor of all cells. However, <italic>r</italic>/<italic>Q</italic> is a geometrical factor that does not depend on coupling, so the following relation holds: <italic>r</italic>
<sub>loaded</sub>/<italic>Q</italic>
<sub>loaded</sub> &#x3d; <italic>r</italic>
<sub>unloaded</sub>/<italic>Q</italic>
<sub>unloaded</sub> &#x2261; <italic>r</italic>/<italic>Q</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>].</p>
<p>Starting from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">21</xref> and using Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">27</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">28</xref>, and following the same steps as before, the following PDE is derived for gradient reduction in SW structures:<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m45">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>unloaded</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="methods" id="s3">
<title>3 Methods</title>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Numerical implementation of the BL effect in RF-track</title>
<p>RF-Track [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>] is a tracking code developed at CERN, which allows arbitrary particle tracking under the effect of external and self-induced forces. It is written in parallel C&#x2b;&#x2b;, and it is imported into Python and Octave as a pre-compiled library. This software program offers a flexible accelerator description, handling complex 3D fieldmaps and computing self-consistent single-particle and collective effects such as space-charge, incoherent synchrotron radiation, or short-range wakefields, among others.</p>
<p>A dedicated BL module has been implemented in RF-Track based on the resolution of Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">26</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">29</xref> using the finite-difference method, which requires the discretization of longitudinal and temporal coordinates [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>]. For this purpose, let <italic>L</italic>
<sub>total</sub> be the total length of the accelerating structure where tracking is to be performed and <italic>T</italic>
<sub>end</sub> be the time at which the considered beam leaves the structure.</p>
<p>Then, a two-dimensional space&#x2013;time mesh of <italic>N</italic> &#xd7; <italic>M</italic> is created, where the longitudinal spacing is <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m46">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>total</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> and the temporal spacing is <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m47">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>end</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula>. Each point of the mesh (<italic>n</italic>, <italic>m</italic>) refers to the position <italic>z</italic>
<sub>
<italic>n</italic>
</sub> &#x3d; <italic>n</italic>&#x394;<italic>z</italic> and time <italic>t</italic>
<sub>
<italic>m</italic>
</sub> &#x3d; <italic>m</italic>&#x394;<italic>t</italic>, with <italic>n</italic> &#x3d; 0.(<italic>N</italic> &#x2212; 1) and <italic>m</italic> &#x3d; 0.(<italic>M</italic> &#x2212; 1). As a consequence, the functions defined in Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">26</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">29</xref> are expressed as vectors and matrices evaluated in those mesh points.</p>
<p>Afterward, the derivatives are discretized by Taylor-expanding them to the first order. This leads to the following expression for the calculation of the gradient in TW structures:<disp-formula id="e30">
<mml:math id="m48">
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e31">
<mml:math id="m49">
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e32">
<mml:math id="m50">
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>For a SW structure, the gradient is expressed as<disp-formula id="e33">
<mml:math id="m51">
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>e</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>At each tracking step (where particles have a position <bold>
<italic>r</italic>
</bold>
<sub>part</sub> and time <italic>t</italic>
<sub>part</sub>), the BL effect is computed by applying an additional kick (<bold>
<italic>F</italic>
</bold>
<sub>BL</sub>). For this, a TM<sub>01</sub> look-alike EM field (<bold>
<italic>E</italic>
</bold>
<sub>
<bold>01</bold>
</sub>, <bold>
<italic>B</italic>
</bold>
<sub>
<bold>01</bold>
</sub>) with gradient <italic>G</italic>&#x2a; is calculated by solving Maxwell&#x2019;s equations. <italic>G</italic>&#x2a; is defined as <italic>G</italic>&#x2a; &#x3d; <italic>G</italic>(<italic>z</italic>
<sub>part</sub>, <italic>t</italic>
<sub>part</sub>) &#x2212; <italic>G</italic>(<italic>z</italic>
<sub>part</sub>, 0) and is obtained by cubic-interpolating the result of Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e30">30</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">33</xref>. Therefore, the BL kick is<disp-formula id="e34">
<mml:math id="m52">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>BL</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>part</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>part</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">01</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>part</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>part</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>part</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>part</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">01</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>part</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>part</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Two different BL algorithms have been implemented in RF-Track depending on the velocity of the bunch. For ultrarelativistic bunches (<italic>v</italic> &#x2243; <italic>c</italic>) in TW structures, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">32</xref> can be precomputed prior to tracking, speeding up the overall process. If not, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">32</xref> has to be re-examined at each step of tracking. The flowcharts and differences of both approaches are shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Flowchart of the beam-loading algorithms in RF-Track. <bold>(A)</bold> The left plot illustrates the non-ultrarelativistic SW case. <bold>(B)</bold> The right plot shows the ultrarelativistic TW case.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-12-1348042-g002.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 Benchmark of the BL effect implementation in RF-track</title>
<p>The performance of the new RF-Track BL modules has been assessed by simulating two well-studied scenarios of the compact linear collider (CLIC), a TeV-scale high-luminosity linear electron&#x2013;positron collider under development by international collaborations hosted by CERN [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>].</p>
<p>The two situations where beam-loading effects have been reproduced are CLIC accelerating structures (CLIC ASs), which consist of an X-band TW structure where the main beam is accelerated, and CLIC power extraction and transfer structures (CLIC PETS), which are passive cavities where CLIC&#x2019;s drive beam is decelerated due to the BL effect and power is extracted to feed CLIC AS.</p>
<p>The structural specifications required for the simulations are shown in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Accelerating structure specifications [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>].</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Magnitude</th>
<th align="center">Unit</th>
<th align="center">CLIC AS</th>
<th align="center">CLIC PETS</th>
<th align="center">CLEAR RF gun</th>
<th align="center">CLEAR TW structure</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">
<italic>r</italic>/<italic>Q</italic>
<sub>average</sub>
</td>
<td align="center">
<italic>k</italic>&#x3a9;/m</td>
<td align="center">16.2</td>
<td align="center">2.29</td>
<td align="center">3.10</td>
<td align="center">6.91</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>Q</italic>
<sub>average</sub>
</td>
<td align="center">&#x22c5; 10<sup>3</sup>
</td>
<td align="center">5.64</td>
<td align="center">7.20</td>
<td align="center">5.93</td>
<td align="center">15.2</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>v</italic>
<sub>
<italic>g</italic>,average</sub>
</td>
<td align="center">
<italic>%c</italic>
</td>
<td align="center">1.21</td>
<td align="center">45.3</td>
<td align="center">-</td>
<td align="center">1.38</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>f</italic>
</td>
<td align="center">GHz</td>
<td align="center">12.0</td>
<td align="center">12.0</td>
<td align="center">3.00</td>
<td align="center">3.00</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>L</italic>
<sub>total</sub>
</td>
<td align="center">mm</td>
<td align="center">213</td>
<td align="center">211</td>
<td align="center">175</td>
<td align="center">4.50 &#x22c5; 10<sup>3</sup>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<italic>G</italic>
<sub>
<italic>t</italic>&#x3d;0,&#xa0;average</sub>
</td>
<td align="center">MV/m</td>
<td align="center">120</td>
<td align="center">-</td>
<td align="center">26.9</td>
<td align="center">9.44&#x2013;14.1</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<sec id="s3-2-1">
<title>3.2.1 Gradient reduction in CLIC AS</title>
<p>A train of 312 bunches with <italic>q</italic>
<sub>bunch</sub> &#x3d; 500&#xa0;pC and a bunch injection frequency of <italic>f</italic>
<sub>
<italic>b</italic>
</sub> &#x3d; 2.0&#xa0;GHz has been tracked along CLIC TW accelerating structures. <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> shows the gradient reduction due to BL when such a train enters the structure. The solid blue line illustrates the initial gradient along the structure. When the mentioned beam enters the structure, a gradient reduction (illustrated by red-dashed lines) occurs until a steady state is reached (solid red line).</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>CLIC accelerating structure gradient diminution with time when a beam of 312 bunches with <italic>q</italic>
<sub>bunch</sub> &#x3d; 500&#xa0;pC is injected with an injection frequency <italic>f</italic>
<sub>
<italic>b</italic>
</sub> &#x3d; 2.0&#xa0;GHz. <bold>(A)</bold> Figure extracted from [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>]. <bold>(B)</bold> RF-Track calculation.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-12-1348042-g003.tif"/>
</fig>
<p>On one hand, <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref> illustrates the analytical solution of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">26</xref>, as shown in <xref ref-type="bibr" rid="B17">[17],</xref> making use of the Laplace transform method, which has also been benchmarked with HFSS [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>] simulations. On the other hand, <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3B</xref> corresponds to the gradient reduction calculated with RF-Track.</p>
<p>Good agreement can be found between these two procedures, both in the magnitude of the fields and the time at which the steady state is reached. This happens at the so-called filling time (<italic>t</italic>
<sub>fill</sub>), defined for TW structures and calculated for CLIC AS as<disp-formula id="e35">
<mml:math id="m53">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fill</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>total</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>62.2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;ns</mml:mtext>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(35)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s3-2-2">
<title>3.2.2 CLIC PETS</title>
<p>The case of a beam of 2,928 bunches with <italic>q</italic>
<sub>bunch</sub> &#x3d; 8.42&#xa0;nC, bunch injection frequency <italic>f</italic>
<sub>
<italic>b</italic>
</sub> &#x3d; 12.0&#xa0;GHz, an initial energy (<italic>E</italic>
<sub>0</sub>) per bunch of 2.40&#xa0;GeV going through 1492 CLIC PETS is shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>, where the longitudinal phase space of the beam (<xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4A</xref>) and the bunch 20 (<xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4B</xref>) are displayed.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Longitudinal phase space for a beam of 2,928 bunches with <italic>q</italic>
<sub>bunch</sub> &#x3d; 8.42&#xa0;nC, bunch injection frequency <italic>f</italic>
<sub>
<italic>b</italic>
</sub> &#x3d; 12.0&#xa0;GHz, and <italic>E</italic>
<sub>0</sub> &#x3d; 2.40&#xa0;GeV after leaving 1492 PETS at a time <italic>t</italic>
<sub>leave</sub>. <bold>(A)</bold> First 20 bunches. <bold>(B)</bold> 20<sup>th</sup> bunch.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-12-1348042-g004.tif"/>
</fig>
<p>Due to the beam-induced field, an energy loss of bunches takes place, as can be seen by comparing the initial and final energies in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4A</xref>. This energy loss is not the same for all bunches since a transient regime takes place. In this case, the filling time is <italic>t</italic>
<sub>fill</sub> &#x3d; 1.6&#xa0;ns and corresponds to the time needed to reach the steady state, coinciding with the time when the bunch 11 leaves the structure.</p>
<p>This simulation enables the calculation of the power-extraction efficiency factor (<italic>&#x3b7;</italic>
<sub>extr</sub>), defined and calculated for this case as<disp-formula id="e36">
<mml:math id="m54">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>extr</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>90.6</mml:mn>
<mml:mi>%</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(36)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Similar CLIC PETS beam dynamics simulations and <italic>&#x3b7;</italic>
<sub>extr</sub> calculations were carried out in [<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>] with PLACET. A similar behavior of the bunches is reported, as well as an <italic>&#x3b7;</italic>-value of <italic>&#x3b7;</italic>
<sub>extr</sub> &#x3d; 90%, which deviates 0.7% from RF-Track&#x2019;s result in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref>.</p>
<p>PETS are conceived in PLACET as specific elements where a group velocity-dependent flow of the longitudinal wakefield is admitted for this particular situation. However, this <italic>flowing</italic> wake strategy is not implemented in arbitrary TW structures, thus disabling the computation of this effect in externally fed structures.</p>
<p>In this sense, RF-Track constitutes an alternative for PETS simulation, which, in addition, generalizes the physics behind this effect to both TW and SW structures, allowing beam dynamics simulations and gradient calculation in such situations.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3-3">
<title>3.3 Beam-loading measurements in the CLEAR experimental setup</title>
<p>The CERN Linear Accelerator for Research at CERN is a versatile user facility providing a 200-MeV electron beam for accelerator R&#x26;D, irradiation studies for space, and medical applications [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>]. It consists of a 25-m-long electron beam injector, called CALIFES [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>], and a 16-m-long user beamline. The BL measurements have been performed in CALIFES, whose schematic representation is shown in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>CALIFES schematic representation. The beam goes from right to left [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>].</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-12-1348042-g005.tif"/>
</fig>
<p>The electron beam is generated on a Cs<sub>2</sub>Te photo-cathode upon laser incidence and is captured by an RF gun [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>]. Thereafter, three 4.5-m-long TW structures are placed to bunch and accelerate the beam. Both the RF-gun and the TW structures are fed by two independent 3-GHz modulators/klystrons, and a rich set of beam diagnostics is set along the beamline to monitor the beam. The main parameters of the accelerating structures are displayed in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>.</p>
<sec id="s3-3-1">
<title>3.3.1 BL measurements in CALIFES&#x2019; photo-injector</title>
<p>Gun-loop voltage measurements can be carried out in CALIFES over an RF cycle. This allows the calculation of the beam-induced voltage reduction by comparing the voltage of an unloaded cycle (<italic>V</italic>
<sub>ul</sub>) with the voltage of a beam-loaded cycle (<italic>V</italic>
<sub>l</sub>).</p>
<p>This can be seen in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6A</xref>, where a voltage drop occurs when the beam is injected. The beam-induced energy loss from the first-to-last bunch (<italic>E</italic>
<sub>loss, BL</sub>) is defined as<disp-formula id="e37">
<mml:math id="m55">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>loss,&#x2009;BL</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>max</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ul</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>l</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(37)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Beam-loading measurements at CLEAR. <bold>(A)</bold> Voltage read in the CLEAR RF gun loop. <bold>(B)</bold> Beam at the VESPER spectrometer and energy distribution.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-12-1348042-g006.tif"/>
</fig>
<p>Beam-induced energy losses for beams with varying bunches (<italic>N</italic>
<sub>bunches</sub>) and varying charge per bunch (<italic>q</italic>
<sub>bunch</sub>) were measured following this procedure. For each beam configuration, a set of 20 data points <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m56">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>loss,&#x2009;BL</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> were obtained. The results in <xref ref-type="sec" rid="s4-1">Section 4.1</xref> refer to the average value of the set, and the uncertainty bars cover 3<italic>&#x3c3;</italic>, with <italic>&#x3c3;</italic> being the standard deviation of the set of measurements.</p>
</sec>
<sec id="s3-3-2">
<title>3.3.2 BL measurements in the VESPER spectrometer</title>
<p>The Very energetic Electron facility for Space Planetary Exploration missions in harsh Radiative environments (VESPER) [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>] is a high-energy electron beamline for radiation testing that is part of CLEAR, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>. Its spectrometer, consisting of a deflecting dipole and a screen (BTV0420), was used to measure the energy distribution of the beam after CLEAR TW accelerating structures.</p>
<p>Charged particles undergo dispersive effects in such a setup. Therefore, there is a relationship between the position <italic>x</italic> at which particles arrive at the screen and the energy <italic>E</italic> of them. This is shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6B</xref>, where the image of the beam at BTV0420 allows the reconstruction of the beam energy spectrum.</p>
<p>Beams of varying <italic>N</italic>
<sub>bunches</sub> and <italic>q</italic>
<sub>bunch</sub> were sent through the structure, and for each configuration, the mean energy of the train (&#x27e8;<italic>E</italic>&#x27e9;), the energy range (<italic>E</italic>
<sub>range</sub>), and the energy spread (<italic>&#x3c3;</italic>
<sub>
<italic>E</italic>
</sub>) were recorded. A set of 20 measurements was obtained <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m57">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>range</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>20</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, and the results in 4.2 show the averaged values of the previous quantities.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="results|discussion" id="s4">
<title>4 Results and discussion</title>
<p>The experimental validity of the power-diffusive model and the accuracy of the two BL modules implemented in RF-Track have been assessed by a direct comparison of the simulation with measurements of the BL effect carried out in the CLEAR facility. A summary of the involved cavities can be found in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>.</p>
<sec id="s4-1">
<title>4.1 CLEAR standing-wave photoinjector</title>
<p>A beam of 150 bunches with <italic>f</italic>
<sub>
<italic>b</italic>
</sub> &#x3d; 1.5&#xa0;GHz was injected into the CLEAR RF gun. For different <italic>q</italic>
<sub>bunch</sub>, the beam induced energy losses have been measured as exposed in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">37</xref>. The results are shown in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7A</xref>. The same scenario was simulated with RF-Track, and the beam-induced energy loss (<italic>E</italic>
<sub>loss, BL</sub>) dependency with <italic>q</italic>
<sub>bunch</sub> is illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7B</xref>.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>Beam-induced energy loss of a train of 150 bunches with a bunch spacing of 2<italic>T</italic> as a function of <italic>q</italic>
<sub>bunch</sub> in the CALIFES gun. <bold>(A)</bold> Experimental measurements. <bold>(B)</bold> RF-Track simulation.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-12-1348042-g007.tif"/>
</fig>
<p>A linear dependency of the beam-induced energy loss with <italic>q</italic>
<sub>bunch</sub> is found, as reflected by the high value of the <italic>r</italic>
<sup>2</sup> coefficient from the linear fit of both experimental and simulation data. This is consistent with the beam-loading term in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">29</xref>, which depends linearly on <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and therefore on charge.</p>
<p>The positive sign of the slope (<italic>m</italic>) confirms that the higher the charge of the injected bunch, the greater the gradient reduction due to BL. A good agreement is found between the slopes obtained from the experimental data and RF-Track&#x2019;s simulation, as shown in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref>, where a slope deviation (<italic>&#x3b4;</italic>
<sub>
<italic>m</italic>
</sub>) of 3.4% is obtained for this case.</p>
<table-wrap id="T2" position="float">
<label>TABLE 2</label>
<caption>
<p>Statistical indicators of the simulation&#x2013;measurement agreement.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Case (y,x)</th>
<th align="center">
<italic>m</italic>
<sub>
<italic>exp</italic>
</sub> [keV/pC]</th>
<th align="center">
<italic>m</italic>
<sub>
<italic>RF-Track</italic>
</sub> [keV/pC]</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m59">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>RF</mml:mtext>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mtext>Track</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<italic>r</italic>
<sup>2</sup>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">(<italic>E</italic>
<sub>loss,&#xa0;BL</sub>, <italic>q</italic>
<sub>bunch</sub>)</td>
<td align="center">0.56 &#xb1; 0.03</td>
<td align="center">0.577 &#xb1; 0.024</td>
<td align="center">3.4%</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m60">
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0.99</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">(<italic>E</italic>
<sub>loss,&#xa0;BL</sub>, <italic>N</italic>
<sub>bunches</sub>)</td>
<td align="center">&#x2014;</td>
<td align="center">&#x2014;</td>
<td align="center">&#x2014;</td>
<td align="center">0.98</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">(&#x27e8;<italic>E</italic>&#x27e9;, <italic>q</italic>
<sub>bunch</sub>)</td>
<td align="center">&#x2212;22.5 &#xb1; 2.4</td>
<td align="center">&#x2212;23.67 &#xb1; 0.17</td>
<td align="center">5.2%</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m61">
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0.98</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">(<italic>E</italic>
<sub>range</sub>, <italic>q</italic>
<sub>bunch</sub>)</td>
<td align="center">42 &#xb1; 5</td>
<td align="center">44.8 &#xb1; 0.3</td>
<td align="center">5.9%</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m62">
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0.99</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>The validity of the BL model in non-ultrarelativistic SW structures relies on experimental results as to the knowledge of the authors, no tracking code incorporates this feature yet for <italic>&#x3b2;</italic> &#x3c; 1. For that reason, additional measurements were taken in the CLEAR gun. In this case, a beam with a fixed charge per bunch of <italic>q</italic>
<sub>bunch</sub> &#x3d; 294 &#xb1; 24&#xa0;pC was injected into the structure.</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref> shows the dependency of <italic>E</italic>
<sub>loss, BL</sub> on the number of bunches. A similar conclusion can be drawn from this comparison: larger charges lead to greater energy losses as a consequence of beam-loading-induced gradient reduction, and accordance between simulations and measurement is obtained, as reflected by the large <italic>r</italic>
<sup>2</sup> value shown in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2.</xref>
</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>Beam-induced energy loss of a train with <italic>q</italic>
<sub>bunch</sub> &#x3d; 294 &#xb1; 24&#xa0;pC and bunch injection frequency <italic>f</italic>
<sub>
<italic>b</italic>
</sub> &#x3d; 1.5&#xa0;GHz as a function of the number of bunches in CLEAR RF-gun.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-12-1348042-g008.tif"/>
</fig>
<p>Finally, <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref> shows the evolution of the bunch-averaged time-transit factor from bunch to bunch. A slight variation in the time-transit factor from bunch to bunch is observed due to the BL-induced gradient reduction. Lower energy gains lead to lower velocities along the structure, which result in particles arriving at different times to the starting position of the cell, thus seeing a different phase of the accelerating electric field.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>Time-transit factor evolution with time in the CLEAR RF gun.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-12-1348042-g009.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>4.2 CLEAR start-to-end performance</title>
<p>A beam of 50 bunches is injected into CLEAR, and its energy is measured in VESPER, as shown in <xref ref-type="sec" rid="s3-3-2">Section 3.3.2</xref>. Several measurements have been taken for different values of the charge per bunch, ranging from 100 to 400&#xa0;pC. <xref ref-type="fig" rid="F10">Figures 10A, C</xref> show the dependency of &#x27e8;<italic>E</italic>&#x27e9; and <italic>E</italic>
<sub>range</sub> with the charge per bunch. <xref ref-type="fig" rid="F10">Figures 10B, D</xref> show the analogous simulations in RF-Track.</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>FIGURE 10</label>
<caption>
<p>Beam-loading measurements for a train of 50 bunches with an injection frequency of 1.5&#xa0;GHz going through CLEAR accelerating structures as a function of the charge per bunch. <bold>(A)</bold> Experimental mean energy. <bold>(B)</bold> RF-Track simulation for mean energy. <bold>(C)</bold> Experimental energy range. <bold>(D)</bold> RF-Track simulation for the energy range.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-12-1348042-g010.tif"/>
</fig>
<p>For both &#x27e8;<italic>E</italic>&#x27e9; and <italic>E</italic>
<sub>range</sub>, an agreement is found between measurements and simulations since results deviate only up to 5.9% and high <italic>r</italic>
<sup>2</sup> values are reported (see <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref>). In addition, the results indicate the same dependency of energy loss with beam charge, which is consistent with Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">26</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">29</xref>.</p>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s5">
<title>5 Conclusion</title>
<p>Starting from the Poynting theorem, a power-diffusive model for both TW and SW structures has been derived and implemented into the tracking code RF-Track. The figures of merit employed for the deduction of Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">26</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">29</xref> are time-averaged over a period, thus limiting the validity of the BL module developed in RF-Track to timescales greater than <italic>T</italic>. As a result, it captures the long-range interaction from bunch-to-bunch but no intra-bunch effects.</p>
<p>As a consequence, the BL effect was implemented as a flexible module as described in Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">31</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e35">35</xref>, which can be supersposed to the other effects available in RF-Track. The designed tool captures the transitivity of the BL effect and reflects how this transition to a steady-state depends on the filling time of the structure. This allows the simulation of realistic scenarios where transient beam loading plays an important role, resulting in different energy losses from bunch to bunch (see <xref ref-type="fig" rid="F4">Figures 4</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F6">6</xref>).</p>
<p>Moreover, the simulation results show great agreement with experimental measurements in the CLEAR facility, as shown in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref>, as well as consistency with the proposed physical model and previous theoretical results for particular cases [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>].</p>
<p>In conclusion, a unique and accurate simulation tool accounting for the BL effect has been designed and implemented into the tracking code RF-Track, exhibiting rapid simulation speed&#x2014;orders of magnitude below EM solvers, thus allowing tracking at runtime of these fields. This opens the door to novel accelerator designs where the BL effect is relevant, such as energy recovery LINACs, multi-species accelerating structures, such as positron sources for future colliders, or compact accelerator-based neutron sources.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s6">
<title>Data availability statement</title>
<p>The raw data supporting the conclusion of this article will be made available by the authors, without undue reservation.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Author contributions</title>
<p>JO: conceptualization, data curation, formal analysis, investigation, methodology, software, visualization, and writing&#x2013;original draft. AL: conceptualization, project administration, software, supervision, validation, writing&#x2013;review and editing, and visualization. AA: methodology, supervision, validation, and writing&#x2013;review and editing. NF: investigation, project administration, supervision, validation, visualization, and writing&#x2013;review and editing. BG: investigation, project administration, supervision, validation, and writing&#x2013;review and editing. DE: project administration, supervision, validation, investigation, and writing&#x2013;review and editing.</p>
</sec>
<sec sec-type="funding-information" id="s8">
<title>Funding</title>
<p>The author(s) declare that financial support was received for the research, authorship, and/or publication of this article. Work supported by Generalitat Valenciana CDEIGENT/2021/012. The authors declare that this study received funding from CERN.</p>
</sec>
<ack>
<p>The authors thank Dr. Alexej Grudiev and Dr. Ping Wang for their valuable comments on the beam-loading effect and the CLEAR OP TEAM for the machine specifications provided.</p>
</ack>
<sec sec-type="COI-statement" id="s9">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s10">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors, and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Stupakov</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Penn</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Classical mechanics and electromagnetism in accelerator physics</source>. <publisher-loc>Cham, Switzerland</publisher-loc>: <publisher-name>Springer Nature</publisher-name> (<year>2018</year>). p. <fpage>182</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jackson</surname>
<given-names>JD</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Classical electrodynamics</source>, <volume>57</volume>. <publisher-loc>Hoboken, New Jersey</publisher-loc>: <publisher-name>John Wiley and Sons</publisher-name> (<year>1999</year>). p. <fpage>75</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Leiss</surname>
<given-names>JE</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Beam Loading and Transient behavior in travelling wave electron linear accelerators</article-title>. In: <person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>Lapostolle</surname>
<given-names>PM</given-names>
</name>
</person-group>, editor. <source>Linear accelerators</source>. <publisher-loc>Amsterdam, Holland</publisher-loc>: <publisher-name>A.L. North Holland Publishing Company</publisher-name> (<year>1970</year>). p. <fpage>147</fpage>&#x2013;<lpage>72</lpage>. <comment>Available at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.osti.gov/biblio/4723270">https://www.osti.gov/biblio/4723270</ext-link> (Accessed October 2023)</comment>.</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Saxon</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Theory of electron beam loading in linear accelerators</article-title>. <source>Proc Phys Soc Section B</source> (<year>1954</year>) <volume>67</volume>(<issue>9</issue>):<fpage>705</fpage>&#x2013;<lpage>16</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0370-1301/67/9/306</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Leiss</surname>
<given-names>JE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Penner</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rose</surname>
<given-names>JE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Broberg</surname>
<given-names>JB</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>&#x201c;Transient beam loading in electron linear Accelerators&#x201d;in</article-title>. <source>IEEE Trans Nucl Sci</source> (<year>1965</year>) <volume>12</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>566</fpage>&#x2013;<lpage>79</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chao</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Physics of collective beam instabilities in high energy particle accelerators</source>. <publisher-loc>New York, US</publisher-loc>: <publisher-name>John Wiley and Sons</publisher-name> (<year>1993</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wolski</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Beam dynamics in high energy particle accelerators</source>. <publisher-loc>London, England</publisher-loc>: <publisher-name>Imperial College Press</publisher-name> (<year>2014</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ng</surname>
<given-names>KY</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Physics of intensity dependent beam instabilities</source>. <publisher-loc>Batavia, US</publisher-loc>: <publisher-name>Fermi National Accelerator Laboratory</publisher-name> (<year>2005</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Aicheler</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Burrows</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Draper</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Garvey</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lebrun</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Peach</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <source>A Multi-TeV linear collider based on CLIC technology: CLIC Conceptual Design Report</source>. <publisher-loc>Menlo Park, CA, United States</publisher-loc>: <publisher-name>SLAC National Accelerator Lab</publisher-name> (<year>2014</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hubner</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Accelerators for high-energy physics</article-title>. In: <conf-name>2004 European School of High-Energy Physics</conf-name>; <conf-date>30 May-12 June 2004</conf-date>; <conf-loc>Geneva, Swizerland</conf-loc>. <publisher-name>CERN</publisher-name> (<year>2004</year>). p. <fpage>361</fpage>&#x2013;<lpage>94</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kononenko</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grudiev</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Transient beam-loading model and compensation in Compact Linear Collider main linac</article-title>. <source>Phys Rev ST Accel Beam</source> (<year>2011</year>) <volume>14</volume>:<fpage>111001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevstab.14.111001</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Borland</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <source>ELEGANT: a flexible SDDS-compliant code for accelerator simulation</source> (<year>2000</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.2172/761286</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Latina</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Levinsen</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schulte</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Snuverink</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Evolution of the tracking code PLACET</article-title>. In: <conf-name>Proceedings of the 13th International Particle Accelerator Conference, IPAC2013</conf-name>; <conf-date>12-17 May 2013</conf-date>; <conf-loc>Shanghai, China</conf-loc> (<year>2013</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Solvers</surname>
<given-names>ES</given-names>
</name>
<name>
<surname>Compatibility</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <source>CST studio suite</source> (<year>2020</year>). <comment>Available at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.3ds.com/ko/products-services/simulia/products/cst-studio-suite/solvers/">https://www.3ds.com/ko/products-services/simulia/products/cst-studio-suite/solvers/</ext-link> (Accessed October 11, 2023)</comment>.</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bruns</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
</person-group>. <source>GdfidL v. 2.0: syntax and semantics</source> (<year>1998</year>). <comment>Available at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.gdfidl.de/Manual/">www.gdfidl.de/Manual/</ext-link> (Accessed October 11, 2023)</comment>.</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wilson</surname>
<given-names>PB</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Beam loading in high-energy storage rings</source>. <publisher-loc>Menlo Park, US</publisher-loc>: <publisher-name>SLAC National Accelerator Lab</publisher-name> (<year>1974</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lunin</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yakovlev</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grudiev</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Analytical solutions for transient and steady-state beam loading in arbitrary travelling wave accelerating structures</article-title>. <source>Phys Rev Spec Top Accel Beams</source> (<year>2011</year>) <volume>14</volume>:<fpage>05</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevSTAB.14.052001</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jones</surname>
<given-names>RM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dolgashev</surname>
<given-names>VA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang.</surname>
<given-names>JW</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Dispersion, and energy compensation in high-gradient linacs for lepton colliders</article-title>. <source>Phys Rev St Accel Beams</source> (<year>2009</year>) <volume>12</volume>:<fpage>051001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevstab.12.051001</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Latina</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <source>RF-track reference manual</source>. <publisher-loc>Geneva, Switzerland</publisher-loc>: <publisher-name>CERN</publisher-name> (<year>2020</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.5281/zenodo.3887085</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="book">
<collab>CLEAR</collab>. <source>CLEAR beam line description</source> (<year>2023</year>). <comment>Available at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://clear.cern/content/beam-line-description">https://clear.cern/content/beam-line-description</ext-link> (Accessed October 11, 2023)</comment>.</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Venkatasubramanian</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
</person-group> <article-title>Tools for dynamic analysis of the general large power system using time-varying phasors</article-title>. <source>Int J Electr Power Energ Syst</source> (<year>1994</year>) <volume>16</volume>(<issue>6</issue>):<fpage>365</fpage>&#x2013;<lpage>76</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0142-0615(94)90023-x</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Dome</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Basic RF theory, waveguides and cavities</article-title>. In: <source>CAS Proceedings. RF Engineering for particle accelerators</source>. <publisher-loc>Oxford UK</publisher-loc>: <publisher-name>Exeter College</publisher-name> (<year>1991</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Weiss</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Introduction to RF linear accelerators</article-title>. In: <conf-name>CAS Proceedings. Fifth General Accelerator Physics Course</conf-name>; <conf-date>7-18 September 1992</conf-date>; <conf-loc>Jyv&#xe4;skyl&#xe4;, Finland</conf-loc> (<year>1992</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wangler</surname>
<given-names>TP</given-names>
</name>
</person-group>. <source>RF linear accelerators</source>. <publisher-loc>Amsterdam, Holland</publisher-loc>: <publisher-name>Wiley VCH</publisher-name> (<year>2008</year>). p. <fpage>32</fpage>&#x2013;<lpage>52</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wiedemann</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Particle accelerator physics</source>. <publisher-loc>Cham, Switzerland</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2019</year>). p. <fpage>619</fpage>&#x2013;<lpage>33</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Vetterling</surname>
<given-names>WT</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Numerical recipes example book (C&#x2b;&#x2b;): the art of scientific computing</source>. <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name> (<year>2002</year>). p. <fpage>1031</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="book">
<collab>ANSYS</collab>. <source>ANSYS HFSS software</source> (<year>2024</year>). <comment>Available at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.ansoft.com/products/hf/hfss">http://www.ansoft.com/products/hf/hfss</ext-link> (Accessed October 2023)</comment>.</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Adli</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
</person-group>. <source>A study of the beam physics in the CLIC drive beam decelerator</source>. <publisher-loc>Oslo (N)</publisher-loc>: <publisher-name>University of Oslo</publisher-name> (<year>2008</year>). <comment>[PhD&#x2019;s thesis]</comment>.</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Corsini</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Farabolini</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Malyzhenkov</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dyksl</surname>
<given-names>LA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Koryskol</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sjobak</surname>
<given-names>KN</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>The design of a second user beamline for the CLEAR user facility at CERN</article-title>. In: <conf-name>In: IPAC22: 13th International Particle Accelerator Conference</conf-name>; <conf-date>June 1, 2022</conf-date>; <conf-loc>Bangkok, Thailand</conf-loc> (<year>2022</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.18429/JACoW-IPAC2022-THPOST018</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Navarro Quirante</surname>
<given-names>JL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Corsini</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Grudiev</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lefreve</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mazzoni</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pan</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>CALIFES: a multi-purpose electron beam for accelerator technology tests</article-title>. In: <conf-name>Proceedings of the 27th Linear Accelerator Conference, LINAC 2014</conf-name>; <conf-date>August 31-September 5, 2014</conf-date>; <conf-loc>Geneva, Switzerland</conf-loc> (<year>2014</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gamba</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Corsini</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Curt</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Doebert</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Farabolini</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mcmonagle</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>The CLEAR user facility at CERN</article-title>. <source>NIMS-A.</source> (<year>2018</year>) <volume>909</volume>:<fpage>480</fpage>&#x2013;<lpage>3</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.nima.2017.11.080</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="book">
<collab>VESPER</collab>. <source>VESPER facility official site web</source> (<year>2023</year>). <comment>Available at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://vesper.web.cern.ch/">http://vesper.web.cern.ch/</ext-link> (Accessed October, 2023)</comment>.</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>