<html><body style="word-wrap: break-word; -webkit-nbsp-mode: space; -webkit-line-break: after-white-space; ">Dear Kirk,<div><br></div><div>Gauge transformations are symplectic maps. &nbsp;See Exercises 6.2.8 and 6.5.3 in the book "Lie Methods ...", which can be downloaded from the Web site</div><div><br></div><div><a href="http://www.physics.umd.edu/dsat/">http://www.physics.umd.edu/dsat/</a></div><div><br></div><div>By construction, eigen emittances are invariant under linear symplectic transformations, and therefore invariant under gauge transformations in the linear approximation. &nbsp;Note the words "eigen emittances"! &nbsp;Eigen emittances are not the same as rms emittances. &nbsp;See the papers</div><div><br></div><div><div><div style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; font: normal normal normal 12px/normal Helvetica; ">A. Dragt, F. Neri, et&nbsp;al., "LIE ALGEBRAIC TREATMENT OF LINEAR AND NONLINEAR BEAM DYNAMICS",</div><div style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; font: normal normal normal 12px/normal Helvetica; ">Annual Review of Nuclear and Particle Science 38, p. 455 (1988).</div></div><div><font class="Apple-style-span" size="5"><span class="Apple-style-span" style="font-size: 18px; "><br></span></font></div><div><font class="Apple-style-span" size="5"><span class="Apple-style-span" style="font-size: 18px; "><div style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; font: normal normal normal 12px/normal Helvetica; ">A. Dragt, R. Gluckstern, et al., "THEORY OF EMITTANCE INVARIANTS", &nbsp;Lecture Notes in</div><div style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; font: normal normal normal 12px/normal Helvetica; ">Physics 343: Proceedings of the Joint US-CERN Capri School on Accelerator Physics,</div><div style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; font: normal normal normal 12px/normal Helvetica; ">Springer Verlag (1989).</div><div style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; font: normal normal normal 12px/normal Helvetica; "><br></div><div style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; font: normal normal normal 12px/normal Helvetica; "><div style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; font: normal normal normal 12px/normal Helvetica; ">A. Dragt,&nbsp;F. Neri, et&nbsp;al., "GENERAL MOMENT INVARIANTS FOR LINEAR HAMILTONIAN SYSTEMS",&nbsp;</div><div style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; font: normal normal normal 12px/normal Helvetica; ">Physical Review A, 45, p. 2572 (1992).</div></div></span></font></div></div><div><br></div><div><br></div><div>Rather, eigen emittances tell you what rms emittances can be achieved by proper beam manipulation (using symplectic elements in the linear approximation). &nbsp;See Chapter 26 of Lie Methods ....</div><div><br></div><div>Every symplectic map can be factorized into linear and nonlinear parts, all of which are symplectic. &nbsp;The linear part of a symplectic map is described by a symplectic matrix. &nbsp;See Sections 7.6 through 7.8 of Lie Methods .... &nbsp;[Every map (in an even number of variables) can be factorized into symplectic and nonsymplectic parts. &nbsp;See Chapter 22 of Lie methods.] &nbsp;As related in Section 1.1.2 of Lie Methods..., accelerators were originally designed using only linear linear symplectic maps (symplectic matrices). &nbsp;In fact, it was often not recognized that even the so called linear beam-line elements such as drifts, quads, and bends also have nonlinear parts. &nbsp;Karl Brown was the first to include quadratic effects, which made it possible to treat sextupoles in the lowest nonlinear approximation. &nbsp;With the advent of Lie methods and Truncated Power Series Algebra (TPSA) it is now possible to work to quite high order, at least for idealized elements excluding s dependences and fringe fields. &nbsp;We are currently working (see below) to extend these methods to realistic beam-line elements including fringe fields and high-order multipole effects.</div><div><br></div><div>Although an approximation, it is &nbsp;always good to begin with a linear (symplectic matrix) design. &nbsp;But then one must recognize that nonlinear corrections can be important. &nbsp;For example, for many years, SLAC failed to included the third-order nonlinear terms in drifts when trying to simulate the B-factory dynamic aperture. &nbsp;To their amazement, they found that the agreement between simulation and experiment improved when they finally did so. &nbsp;In the cases of solenoids and quadrupoles it is important to recognize that third-order fringe-field effects can be important. &nbsp;Indeed, in the case of electron microscopes, solenoid third-order fringe-field effects are the chief source of aberrations. &nbsp;And, in the case of microprobes and beam telescopes,&nbsp;quadrupole third-order fringe-field effects are the chief source of aberrations. &nbsp;Due to their complicated nature, not much is known about the effects of fringe fields for realistic dipoles. &nbsp;This will change with the fruition of the work on curved elements, also sketched below.</div><div><br></div><div>With regard to the effect of vector potential terms, it is always possible to select a gauge such that the vector potential vanishes in the field-free regions. &nbsp;Indeed, when B=0, we must have curl A=0, and therefore A is a gradient of a scalar field, and this scalar field can be used to gauge transform A to zero, etc. &nbsp;We have developed surface methods which take E and B field data as input and produce as output a vector potential. &nbsp;This vector potential has the property that it decays to zero outside the element. &nbsp;See the paper</div><div><br></div><div><span class="Apple-style-span" style="font-family: arial, helvetica, sans-serif; color: rgb(50, 50, 50); -webkit-border-horizontal-spacing: 2px; -webkit-border-vertical-spacing: 2px; "><h2 style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0.4em; padding-right: 0px; padding-bottom: 0.5em; padding-left: 15px; border-top-width: 0px; border-right-width: 0px; border-bottom-width: 0px; border-left-width: 0px; border-style: initial; border-color: initial; font-family: arial, helvetica, sans-serif; font-size: 1em; font-weight: bold; color: rgb(1, 93, 170); line-height: 1.3em; ">Phys. Rev. ST Accel. Beams 13, 064001 (2010) [17 pages]</h2><h1 style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0.4em; padding-left: 15px; border-top-width: 0px; border-right-width: 0px; border-bottom-width: 0px; border-left-width: 0px; border-style: initial; border-color: initial; font-family: arial, helvetica, sans-serif; font-size: 1.5em; font-weight: bold; color: rgb(1, 93, 170); line-height: 1.3em; ">Accurate transfer maps for realistic beam-line elements: Straight elements</h1></span></div><div><br></div><div>which deals with straight magnetic elements. &nbsp;This paper also cites the work of Dan Abell, which does analogous things for realistic RF cavities. &nbsp;For the beginning of work on curved elements, see the attachment</div><div><br></div><div><br></div><div></div></body></html>