[論文レビュー] Design of the Ess RFQs and Chopping Line

R. Duperrier, R. Ferdinand+6 more|ArXiv.org|Aug 18, 2000

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ESS RFQおよびチョッピングラインの最適化設計を提示し、最初のRFQでは95 keVから2 MeVの範囲で99.7%の透過率を達成し、2番目のRFQでは2から5 MeVの範囲でほぼ100%の透過率を達成した。また、2つのビームバッチ間のチョッピングは2 ns未満で正確に実現された。このシステムは、セグメント化されたRFQ、2.1 mのMEBT（中間ビーム輸送路）に二重チョッパーを搭載し、マイクロストリップライン型チョッパーのプロトタイプを用いることで、100 mA H⁻のビーム電流下でもビーム品質を維持し、発散角の増大を最小限に抑えた。

ABSTRACT

The chopping line is a critical part of the ESS linac in term of technical realisation of the choppers and preservation of the beam qualities. A new optimised design of the ESS RFQs and chopping lines is reported. The beam dynamics has been optimised with H- beam currents up to 100-mA to have safety margin with respect to the ESS goals. The first RFQ transmits almost 99.7% of the beam up to 2 MeV. The line with two choppers allows a perfect chopping between 2 bunches. The second RFQ accelerates the particles up to 5 MeV with a transmission close to 100%.

研究の動機と目的

• 50 Hzで正確なビームパルスを実現できる、高効率かつ高ビーム品質のチョッピングシステムを、ESSリニアックに設計すること。
• RFQとMEBTを介して、100 mA H⁻ビーム電流を実現し、発散角の増大を最小限に抑えること。
• 2つのビームバッチ間のビーム分離を実現できる、2 ns未満のリズム・フォールタイムを達成できる高速で信頼性の高いチョッパーを設計すること。
• ESSの基準目標を上回るビーム電流と発散角に対する安全余裕を組み込むことで、耐障害性の高い運用を確保すること。
• 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と3次元電磁界解析を用いて設計を検証すること。

提案手法

• 95 keVから5 MeVの加速を最適化するため、PARMTEQMおよびTOUTATISのビームダイナミクスコードを用いた。
• 発散角の増大を最小限に抑え、捕獲効率を向上させるために、電圧を変調したバイブレータを備えたセグメント化RFQと遷移セルを設計した。
• 10個の四極磁石、3個のバンチャー、および四極磁石内に配置された二重チョッパーを備えた2.1 mのMEBTを実装し、発散角の増大を最小限に抑えた。
• 50オームのインピーダンスを達成し、2 ns未満のスイッチングを実現するために、ノッチ加工を施したラインと面取りされた端部を有するマイクロストリップラインのメイander構造を採用した。
• MAFIAおよびPspiceを用いた2次元および3次元のシミュレーションにより、電磁界、信号伝搬、パルス忠実度をモデル化した。
• Rogers RT 6002ラミネート上に、ギャップを調整可能で50オームの特性インピーダンスを持つ388 mmのチョッパープロトタイプを製作・試験した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 352 MHzのRFQ設計は、95 keVから2 MeVの範囲で100 mA H⁻ビームを99.7%の透過率で実現し、発散角の増大を最小限に抑えられるか？
• RQ2 どのようなチョッパー設計が、50オームのインピーダンスを維持しながら、2 ns未満のリズム・フォールタイムを達成し、ビーム歪みを最小限に抑えられるか？
• RQ3 高電流ビーム条件下で、二重チョッパーとバンチャーを備えたMEBTで、発散角の増大をどのように最小限に抑えられるか？
• RQ4 マイクロストリップライン型チョッパーのプロトタイプは、50 Hz動作に必要な950 Vのパルス電圧と84%の電場効率を達成できるか？
• RQ5 未チョッピングビームを97.2%透過させつつ、チョッピングビームの0.01%のみを抑制する最適なMEBT構成は何か？

主な発見

• 最初のRFQは、95 keVから2 MeVの範囲で100 mA H⁻ビームを99.7%の透過率で達成し、発散角の増大はわずか0.01 π.mm.mradにとどまった。
• 2番目のRFQは、2 MeVから5 MeVの範囲で99.97%の透過率を達成し、Y方向の発散角増大はわずか0.01 π.mm.mradにとどまった。
• MEBTは、未チョッピングビームの透過率が97.2%、チョッピングビームの透過率は0.01%未満を達成し、100 mAのビーム電流下でX方向に+11%、Y方向に+13%の発散角増大を示した。
• チョッパーのプロトタイプは、50オームの特性インピーダンス、150 mm/nsの位相速度を達成し、950 Vのパルス電圧で2 ns未満のリズム・フォールタイムを満たすように設計された。
• 3次元のMAFIAシミュレーションにより、電磁界設計の誤差は5%以内に収まり、チョッパーの性能が妥当であることが裏付けられた。
• Pspiceシミュレーションにより、1本の50 cmのチョッパー線路が、5–65%のデューティファクターを満たす360 nsのオフ、240 nsのオン、50 Hzのデューティサイクルを達成できることを確認した。