[論文レビュー] Beam Dynamics Investigation of the 101.28 MHz IH Structure as Injector for the HIE-ISOLDE SC Linac

Matthew Fraser, M. Pasini+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2010

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、HIE-ISOLDE超伝導リニアックアップグレード用のインジェクタとして使用される101.28 MHzのインターディジタルHモード構造（IHS）におけるビームダイナミクスを調査する。測定された加速電場とマルチパーティクルシミュレーションを用いて、LORASRコードのベンチマークを実施し、2π keV/u nsの入射エミッタンス条件下で縦方向エミッタンス成長が10%未塔であることを示し、SCリニアックアップグレードに最適なビーム品質を確保した。

ABSTRACT

The first phase of the HIE-ISOLDE project at CERN consists of a superconducting (SC) linac upgrade in order to increase the energy of post-accelerated radioactive ion beams from 2.8 MeV/u to over 10 MeV/u (for A/q = 4.5). In preparation for the upgrade, we present beam dynamics studies of the booster section of the normal conducting (NC) REX-ISOLDE linac, focused on the longitudinal development of the beam in the 101.28 MHz Interdigital H-mode Structure (IHS), employing a Combined Zero Degree Structure (KONUS), pulsing at a high gradient of over 3 MV/m. The evolution of the transverse emittance in the SC linac depends critically on the injected longitudinal phase space distribution of particles from the existing linac and, with a better understanding of the beam dynamics upstream, the performance of the upgrade can be optimised. Data taken during the commissioning phase of the REX-ISOLDE linac is analysed to understand the properties of the beam in the booster and combined with beam dynamics simulations which include the realistic fields of the IHS, determined from both simulation and perturbation measurement.

研究の動機と目的

• REX-ISOLDEのIHSインジェクタにおける実際の電場測定値とLORASRビームダイナミクスコードのベンチマークを実施すること。
• HIE-ISOLDE SCリニアック要件に適合するかを確認するため、IHSブースター部における縦方向エミッタンス成長を評価すること。
• 2002年および2007年のREX-ISOLDEのコンmissioning中に取得したエネルギー分散データを用いて、三勾配法を適用し、RFQ出口におけるビームパラメータを再構築し、シミュレーションと照合すること。
• 固体ステート診断を用いた測定分解能の向上可能性を評価し、ビームパラメータ再構築の精度向上を検討すること。
• エミッタンス拡散を最小限に抑え、SCリニアックへの安定したビームインジェクションを実現するためのインジェクタ作動点を最適化すること。

提案手法

• 制御されたビード速度と後処理再構築を用いたビードプル法により、IHSの加速電場を測定し、高い精度を達成した。
• 測定された電場プロファイルをHFSSシミュレーションとLORASRパラメータライズド電場と比較し、3%のrms安定性内で良好な一致を確認した。
• 2002年および2007年のREX-ISOLDEコンmissioning中に取得したエネルギー分散データを用いて、三勾配法を適用し、縦方向ビームパラメータ（α, β, ε）を再構築した。
• 測定されたIHS電場を用いた1,000粒子のマルチパーティクルシミュレーションを実施し、再構築データと整合する2π keV/u nsの総エミッタンスを用いた。
• PARMTEQおよびLANAシミュレーションを用いて、薄いギャップ近似の妥当性を検証し、測定分解能に起因する系統的誤差を評価した。
• 1 mmスリットとポイント・ツー・ポイント分光計の組み合わせにより、理論的分解能が0.18%に達することを推定し、15%以内の精度でビームパラメータ再構築が可能であると評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LORASRコードは、測定されたIHS電場を用いた数値シミュレーションと比較して、どの程度正確にビームダイナミクスを再現できるか？
• RQ2 実際の運用条件下において、IHSブースター部を通る間に縦方向エミッタンスはどの程度増加するか？
• RQ3 三勾配法による再構築されたビームパラメータ（α, β, ε）の信頼性はどの程度で、シミュレーション予測とどのように一致するか？
• RQ4 測定分解能がビームパラメータ再構築の精度に与える影響は何か？さらに向上が可能か？
• RQ5 IHSにおけるどの作動点がエミッタンス成長を最小限に抑え、HIE-ISOLDE SCリニアックへの最適マッチングを実現するか？

主な発見

• 測定されたIHS電場を用いた数値シミュレーションと比較して、LORASRコードがフェーズ依存の放出エネルギーに関して良好な一致を示した。
• 2π keV/u nsの入射エミッタンス条件下で、IHSを通る間の縦方向エミッタンス成長は10%未塔であり、ビームの安定性が確認された。
• 2002年データセットから再構築されたビームパラメータ（ε95% = 3.3 ± 0.4 π ns keV/u）は、測定分解能補正後、PARMTEQシミュレーションと整合した。
• 2007年データセットは3 keV/u（1%）の分解能誤差を補正した結果、ε95% = 2.1 ± 0.5 π ns keV/uとなり、シミュレーションとの整合性が向上した。
• 再バッチャーの薄いギャップ近似は正確であり、φs = -90°で100 kV未塔の電圧ではエミッタンス成長への影響は無視できるほど小さかった。
• 1 mmスリットとポイント・ツー・ポイント分光計を用いることで、理論的分解能0.18%が達成可能であり、15%以内の精度でビームパラメータ再構築が可能となる。この精度は、繰り返し測定による高精度化を支援する。