[論文レビュー] CW Performance of the Triumf 8 Meter Long RFQ for Exotic Ions

R. Poirier, R. Baartman+8 more|ArXiv.org|Aug 22, 2000

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、TRIUMFで開発された35 MHz、8メートルのRFQの連続波（CW）性能を提示する。このRFQは、一定の同期位相-25°を用いて、2 keV/uから150 keV/uへの特異イオンの加速を実現し、内部のバンドルャーおよびシャーパー部を不要にした。高出力パルスプロトコルにより、フィールドエミッションに起因するダーク電流の問題が効果的に軽減され、75 kWで150時間のCWテストが成功裏に実施され、ビームダイナミクスおよびRF設計の妥当性が確認された。

ABSTRACT

The ISAC 35 MHz RFQ is designed to accelerate ions of A/q up to 30 from 2keV/u to 150keV/u in cw mode. The RFQ structure is 8 meters long and the vane-shaped rods are supported by 19 rings spaced 40 cm apart. An unusual feature of the design is the constant synchronous phase of -25; the buncher and shaper sections are eliminated in favor of an external multi-harmonic buncher. All 19 rings are installed with quadrature positioning of the four rod electrodes aligned to +/- 0.08 mm. Relative field variation and quadruple asymmetry along the 8 meters of the RFQ was measured to be within +/- 1%. Early operation at peak inter-electrode voltage (75kV) was restricted by the rapid growth of dark currents due to field emission; the nominal operating power of 75 kW increased to 100 kW in a few hours. A program of high power pulsing, followed by cw operation have all but eliminated the problem leading to a successful 150 hour test at full power. Successful beam test results confirm beam dynamics and rf designs.

研究の動機と目的

• 低エネルギーでの特異イオン加速を目的とした長尺8メートルRFQの安定した連続波（CW）運転を実証すること。
• ピーク電圧での初期CW運転を制限するフィールドエミッションおよびダーク電流の増大という課題に対処すること。
• 内部のバンドルャー部を排除するため、一定の同期位相-25°と外部のマルチハーモニックバンドルャーを用いたRFQ設計の妥当性を検証すること。
• 全出力での長時間CWテストを通じて、ビームダイナミクスおよびRF性能を確認すること。
• ISAC施設の特異イオンビーム生成に向けた信頼性の高い運転を達成すること。

提案手法

• RFQ構造は、40 cm間隔で配置された19個のリングによって支持される、ハンマー形状のロッドを有し、±0.08 mmの公差内で正確な四分位位置決めがなされている。
• 一定の同期位相-25°が採用され、従来のバンドルャーおよびシャーパー部を外部のマルチハーモニックバンドルャーに置き換えている。
• 8メートルの全長にわたり、相対的電場変動および四重極子非対称性が±1%以内に保たれた。
• 構造の条件付けとフィールドエミッションの抑制を目的として、CW運転の前段階で高出力パルスプロトコルが適用された。
• ピーク間電極電圧75 kWで150時間の連続運転テストを通じて、ビームダイナミクスおよびRF設計の妥当性が検証された。
• 初期高電圧運転中にフィールドエミッションおよびダーク電流の増大がモニタリングされ、その結果、パワーパルスプロトコルの導入が採択された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長尺8メートルのRFQは、過度なダーク電流を伴わずに、高出力での連続波モードで安定して運転可能か？
• RQ2 内部のバンドルャーおよびシャーパー部が存在しない状況下で、一定の同期位相-25°がビーム品質および安定性に与える影響はいかほどか？
• RQ3 高出力パルスプロトコルによる条件付けによって、フィールドエミッションおよびダーク電流はどの程度軽減可能か？
• RQ4 正確な電極アライメントおよび電場制御がなされた状態で、75 kWでの長期間CW性能はどの程度達成可能か？
• RQ5 外部マルチハーモニックバンドルャー方式は、内部バンドルィングを効果的に代替できるか？

主な発見

• RFQは75 kWで150時間にわたる安定した連続波運転を達成し、長期的な信頼性を示した。
• 高出力パルス条件付けプロトコルにより、フィールドエミッションおよびダーク電流の増大が効果的に抑制された。
• 8メートル全長にわたり、相対的電場変動および四重極子非対称性が±1%以内に維持され、ビーム安定性が確保された。
• 一定の同期位相-25°により、内部のバンドルャーおよびシャーパー部が不要となったが、効果的なビーム制御が実現した。
• 成功裏のビームテスト結果を通じて、ビームダイナミクスおよびRF設計の正確性が確認された。
• 外部マルチハーモニックバンドルャーが内部バンドルィングを効果的に代替し、RFQ構造の簡素化が達成された。