[論文レビュー] Development of the 50-Mev DTL for the Jaeri/Kek Joint Project

F. Naito, K. Yoshino+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2000

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、JAERI/KEK共同プロジェクトの50-MeVアリスン型DTLの開発および高出力試験を報告している。キャビティ壁には周期的逆方向（PR）銅電気めっきを、RF結合にはRFコネクタを採用した。主な結果として、1.4 mのモデルタンクで未負荷Q値46,200を測定、PR電気めっき銅の破壊電界強度は41 MV/m、1000 Aのパルス電源が5×10⁻⁴の電流安定性を達成した。

ABSTRACT

An Alvaretz-type DTL, to accelerate the H- ion beam from 3 to 50 MeV, is being constructed as the injector for the JAERI/KEK Joint Project. The following components of the DTL have been developed: (1) a cylindrical tank, made by copper electroforming; (2) rf contactors; (3) a pulse-excited quadrupole magnet with a hollow coil made by copper electroforming; (4) a switching-regulator-type pulsed-power supply for the quadrupole magnet. High-power tests of the components have been conducted using a short-model tank. Moreover a breakdown experiment of the copper electrodes has been carried out in order to study the properties of several kinds of copper materials.

研究の動機と目的

• JAERI/KEK高強度陽子加速器施設向けに50-MeV DTLインジェクタの設計および製作を行う。
• RFコネクタ、電気めっき銅キャビティ、パルス電磁石などの主要部品の開発および試験を行う。
• 高出力条件下でのPR電気めっき銅表面の真空およびRF性能を評価する。
• 高出力のコンditionングおよび部品信頼性試験を通じて、DTLの信頼性ある運用を確保する。
• 特に入力カップラーの耐久性および電界均一性に関する部品統合の課題に対処する。

提案手法

• 鉄基板上に0.5 mm厚のPR電気めっき銅を用いて円筒形DTLタンクを製作し、その後電気研磨を実施した。
• 2種類のRFコネクタを設計および試験した：端板とタンク間、およびドリフトチューブのスティルとタンク間。ステンレススプリングに薄い銅層を付加した。
• PR銅電気めっきを用いたコンact、中空コイル型四極磁石を開発。鉄ニクル鋼の極片を用いた。
• IGBTを用いた20 kHzスイッチングレギュレータ型パルス電源を設計。1000 A出力で0.05%未満の電流リップルを達成した。
• 入力カップラー、調整器、四極磁石を備えた全DTL部品を装備した1.4 mモデルタンクを用いて高出力試験を実施した。
• さまざまな銅電極を用いた破壊試験を実施し、高電圧条件下での初回破壊電界を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模キャビティ構造におけるPR電気めっき銅表面のRFおよび真空性能はいかがなものか？
• RQ2 RFコネクタは、低RF損失および高い真空密閉性を維持するのにどの程度有効か？
• RQ3 高電流安定性（≤10⁻³）および高速立ち上がり（5 ms）を有するパルス電源は、ドリフトチューブ内四極磁石を信頼性高く駆動できるか？
• RQ4 他の銅処理法と比較して、PR電気めっき銅の初回破壊電界強度はどの程度か？
• RQ5 DTL内の電界非均一性は性能にどのように影響するか？また、設計調整によってこれを軽減できるか？

主な発見

• 1.4 mモデルタンクの未負荷Q値は46,200に達し、予想値の93%に相当し、優れたRF性能を確認した。
• PR電気めっき銅の初回破壊電界は41 MV/mに達し、ダイヤモンド研磨処理を施したOFCを除き、他の銅タイプよりも顕著に高い。
• パルス電源の電流安定性は5×10⁻⁴を達成し、平坦部電流制御の要件である10⁻³未満を満たした。
• 100時間の排気後、真空度は10⁻⁵ Paに達し、脱気率は5.2×10⁻⁸ Pa·m³/s/m²であった。OFCと同等の性能を示した。
• セラミック窓の故障後も、高出力コンditionング後に表面放電は観測されず、電気めっき銅の表面の良好な整合性を示した。
• 短パルスを用いた高出力コンditionングにより、2日間で全出力（入力160 kW）に到達した。これにより、効果的な電界コンditionングが可能であることが示された。