[論文レビュー] Compensation of Transverse Field Asymmetry in the High-beta Quarter-wave Resonator of the HIE-ISOLDE Linac at CERN

M. A. Fraser, M. Pasini+2 more|ArXiv.org|Sep 27, 2009

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、HIE-ISOLDEの超伝導リニアックに搭載された高β四分音波共振器（QWR）に対して、ビーム発散度の増大を引き起こす横方向場の非対称性を低減するための2つの幾何的変更を提案する。ラクレスタック形状のビームポートと再設計された内部導体は、場の対称性を向上させ、特に後者は全速度範囲で0.03 mrad未満の非対称性を達成するが、ピーク電場が20%増加するという代償を伴う。

ABSTRACT

The superconducting upgrade of the REX-ISOLDE radioactive ion beam (RIB) post-accelerator at CERN will utilise a compact lattice comprising quarter-wave resonators (QWRs) and solenoids, accelerating beams in the mass range 2.5 < A/q < 4.5 to over 10 MeV/u. The short and independently phased quarter-wave structures allow for the acceleration of RIBs over a variable velocity profile and provide an unrivalled longitudinal acceptance when coupled with solenoid focusing. The incorporation of the solenoids into the cryomodule shortens the linac, whilst maximising the acceptance, but the application of solenoid focusing in the presence of asymmetric QWR fields can have consequences for the beam quality. The rotation of an asymmetric beam produces an effective emittance growth in the laboratory reference system. We present modifications of the cavity geometry to optimise the symmetry of the transverse fields in the high-beta QWR. A racetrack shaped beam port is analysed and a modification made to the inner conductor with a geometry that will enable a niobium film to be effectively sputtered onto the cavity surface.

研究の動機と目的

• HIE-ISOLDEの超伝導リニアックにおけるビーム品質の低下を引き起こす高β四分音波共振器（QWR）の横方向場の非対称性を是正すること。
• 非対称なRF場がどのようにビームの方向制御および発散度の増大を引き起こすか、特にソレノイド焦点化ビームにおいてを調査すること。
• A/q受容範囲（2.5–4.5）にわたるビームダイナミクスを最適化し、場の非対称性を最小限に抑えるキャビティ幾何形状を最適化すること。
• ビームポート形状および内部導体設計が場の対称性とピーク電場に与える影響を評価すること。
• 場の対称性の向上が、ビーム加速中に測定可能な横方向発散度増大の低減にどのように結びつくかを特定すること。

提案手法

• MWSコードを用いたRF場の数値シミュレーションにより、標準的、ラクレスタック形状、および再設計されたドリフトチューブキャビティ幾何形状における場成分を分析する。
• A/q範囲（2.5–4.5）にわたるビームの方向制御キックを最小化するためのキャビティオフセット最適化を、最小二乗法を用いて実施する。
• TRACKコードを用いたマルチパーティクルビームダイナミクスシミュレーションを実施し、発散度増大を抑制するために90°位相差のソレノイド焦点化をモデル化する。
• 円形開口、ラクレスタック開口、および再設計された内部導体を有する3つのキャビティ変種におけるビームエンベロープの変化と発散度の変化を比較する。
• ビーム軸上における四重極子的場成分の分析により、非対称性の程度とその横方向発散度への影響を定量化する。
• ニオブium薄膜スパッタリングの製造上の配慮事項を検討し、均一なコーティングを可能にするために内部導体幾何形状の変更を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラクレスタック形状のビームポートは、円形開口と比較して高βQWRにおける横方向場の対称性にどのように影響するか？
• RQ2 内部導体の再設計は、ビーム軸上での場の非対称性をどの程度低減するか？
• RQ3 再設計されたキャビティにおける場の対称性の向上とピーク電場の増加というトレードオフは、どのようなものか？
• RQ4 場の非対称性は、ソレノイド焦点化リニアックにおけるビーム発散度の増大およびエンベロープ分裂にどのように影響するか？
• RQ5 速度依存のビーム方向制御力は、A/q受容範囲にわたるビーム品質にどのような影響を及えるか？

主な発見

• ラクレスタック形状のビームポートは、3.7 MeV/u（β = 0.09）を超える領域で、円形開口と比較して場の非対称性を低減する。これは、アップグレードされたHIE-ISOLDEリニアックの最小注入エネルギーと整合する。
• 再設計された内部導体幾何形状は、全速度範囲（β = 0.078–0.186）にわたって0.03 mrad未満の場の対称性を達成し、場の均一性が著しく向上する。
• 対称性の向上にもかかわらず、再設計キャビティでは導体端部の曲率半径が減少するため、ピーク電場が20%増加する。
• ビームダイナミクスシミュレーションの結果、再設計キャビティは対称的なビームエンベロープを維持し、発散度分裂を最小限に抑え、有効発散度増大を数パーセント低減する。
• ラクレスタック開口は、ビーム方向制御補償において円形開口と同等の性能を示すが、非対称性に起因する発散度混合を完全に除去できない。
• 内部導体の再設計によるビーム品質の向上は、場の対称性の大幅な向上にもかかわらず、わずか数パーセントの程度にとどまる。