[論文レビュー] Beam Loss in Linacs

M. Plum|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2016

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、高強度 H⁻ および H⁺ リニアックにおけるビーム損失メカニズムを調査し、残留ガスのストリッピング、H⁺ 抽出、電場ストリッピング、ブラックボディ放射、およびイントラビームストリッピングなどのメカニズムを含め、H⁻ システムにおけるより複雑さを強調している。SNS における四極子勾配およびRF位相の経験的チューニングにより、ビーム損失が2倍に低減された。これは、モデルベースの調整とリアルタイム最適化の組み合わせが、次世代加速器における損失最小化に不可欠であることを示している。

ABSTRACT

Beam loss is a critical issue in high-intensity accelerators, and much effort is expended during both the design and operation phases to minimize the loss and to keep it to manageable levels. As new accelerators become ever more powerful, beam loss becomes even more critical. Linacs for H- ion beams, such as the one at the Oak Ridge Spallation Neutron Source, have many more loss mechanisms compared to H+ (proton) linacs, such as the one being designed for the European Spallation Neutron Source. Interesting H- beam loss mechanisms include residual gas stripping, H+ capture and acceleration, field stripping, black-body radiation and the recently discovered intra-beam stripping mechanism. Beam halo formation, and ion source or RF turn on/off transients, are examples of beam loss mechanisms that are common for both H+ and H- accelerators. Machine protection systems play an important role in limiting the beam loss.

研究の動機と目的

• H⁻ リニアックに特有のビーム損失メカニズムをH⁺ リニアックと比較して特定・分析すること。
• 高強度加速器における残留ガスストリッピング、イントラビームストリッピング、および電場ストリッピングがビーム損失に与える影響を定量化すること。
• SNSにおける四極子勾配およびRF位相の経験的チューニングが、ビーム損失低減にどの程度効果を発揮するかを評価すること。
• シミュレーションコードがビーム損失を正確に予測できない理由と、その限界を評価し、柔軟なマシンラティス構造および緩和システムの必要性を検討すること。
• 次世代スパラーション中性子源および陽子加速器におけるビーム損失低減のベストプラクティスを確立すること。

提案手法

• SNSのCCL部におけるガス圧の関数としてのビーム損失の経験的測定により、残留ガスストリッピング効果を分離する。
• ビームプロファイル測定およびワイヤースキャナーを用いて、DTLおよびHEBT部におけるビームテールおよびハロ形成を特徴づける。
• 四極子勾配およびRFキャビティ位相の系統的調整により、低損失動作チューンを特定する。
• 設計ベースの設定と経験的最適化設定との間でビーム損失を比較し、特にSCLおよびHEBT部における差を評価する。
• 更新されたシミュレーションコードを用いたモデルベースチューニングを適用し、シミュレーションと実際の加速器性能との乖離を低減する。
• 現地測定に基づいて、真空改善措置および追加のイオンポンプの導入により、ガスストリッピング損失を緩和する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H⁻ リニアックに特有でH⁺ リニアックに存在しない主なビーム損失メカニズムは何か？
• RQ2 残留ガスストリッピングはどのようにビーム損失に寄与するのか？また、ビームエネルギーおよびガス組成に依存するか？
• RQ3 既存のリニアックにおいて、RF位相および四極子勾配の経験的チューニングによって、ビーム損失はどの程度低減可能か？
• RQ4 なぜ現代のシミュレーションコードは正確にビーム損失を予測できないのか？その限界を補うための設計戦略は何か？
• RQ5 DTLおよびHEBT部におけるビームハロ形成および不一致Twissパラメータは、ビーム損失にどのように影響するか？

主な発見

• 残留ガスストリッピングはH⁻ リニアックにおける主要な損失メカニズムであり、SNSのCCLおよびHEBT部で示されるように、ガス圧が上昇するとビーム損失が顕著に増加する。
• SNSにおけるRF位相および四極子勾配の経験的チューニングにより、ビーム損失が2倍に低減された。特に、感受性の高い地点では1°の位相シフトで損失が2倍に増加した。
• SNSの低損失動作チューンでは、DTLの最初のワイヤースキャナーで測定された非ガウス型ビームテール（ピークの30％まで）が観測され、設計ベースの設定下でもハロ形成が進行していることが示された。
• HEBTインジェクションダンプラインにおけるビーム損失は、HEBTの四極子勾配設定に極めて敏感であり、特にラティス遷移領域で顕著である。
• イントラビームストリッピング、電場ストリッピング、ブラックボディ放射は、H⁺ リニアックに存在しないH⁻ 特有の損失メカニズムとして顕著である。
• 正確なシミュレーションモデルを有しても、予測された損失と実際の損失との間に乖離が生じるため、リアルタイムでの経験的最適化および柔軟なラティス設計が不可欠である。