[論文レビュー] Development of the RFQ Cooler SHIRaC: beam transport and nuclearization

Ramzi Boussaid|arXiv (Cornell University)|May 14, 2016

Muon and positron interactions and applications参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、SPIRAL2施設向けに開発されたSHIRaC RFQ冷却器について述べている。この冷却器は、最大1 μAの高電流・高発散度を示す放射性陽イオンビームをバッファガス冷却によって冷却することを目的としている。主RFQの出口に小型RFQを統合することで、縦方向エネルギー散乱が1 eV、横方向発散度が1.75 π·mm·mradにまで低減され、高分解能分離器（HRS）へのビーム透過率が95%以上に達する。

ABSTRACT

The development of the new RFQ Cooler, called SHIRaC, was carried out. As a part of SPIRAL 2 facility, SHIRaC aims to handle and cool typical SPIRAL 2 beams with large emittances (up to 80 pi.mm.mrad) and high currents (up to 1 uA). Its purposes are to enhance as much as possible the beam quality (transverse geometric emittance of less than 3 pi.mm.mrad and longitudinal energy spread close to 1 eV) and to transmit more than 60 % of ions. Numerical simulations and experimental studies have shown that the required beam quality can be reached only in term of the emittance. The energy spread is very far from expected values. It is sensitive to the space charge and the buffer gas diffusion and more importantly to the RF field derivative effect. The latter arises at the RFQ exit and increases with the RF parameters (the frequency and the amplitude of the RF voltage). Studies allowing to enhance the cooled beam quality, mainly the energy spread reduction, are presented and discussed along this paper. They consist in implementing a miniature RFQ at the RFQ exit. Using this method, it becomes possible to improve the cooled beam quality and to reach 1 eV of longitudinal energy spread and around 1.75 π.mm.mrad of transverse geometric emittance for beam currents going up to 1 uA. The transport of the cooled beam from SHIRaC towards a HRS has been done with an electrostatic quadrupole triplet. Simulations and first experimental tests showed that more than 95 % of cooled beams can reach the HRS. Finally, developments related to the nuclearization protection methods aiming to avoid the escape of any nuclear matter from the SHIRaC beamline are studied.

研究の動機と目的

• 高発散度・高電流の放射性陽イオンビームのビーム品質を向上させることを目的とし、主に横方向発散度と縦方向エネルギー散乱を低減すること。
• RFQ冷却器における過剰なエネルギー散乱の制限要因を解消すること。主な要因は、RFQの出口におけるRF場の微分効果である。
• 最適化されたビーム輸送により、高分解能分離器（HRS）へのビーム透過効率を60%以上に向上させること。
• ビームラインからの核物質の漏れを防止するための核化保護手法を実装すること。
• 数値シミュレーションと実験的検証を通じて、SHIRaC冷却器の性能を検証すること。

提案手法

• 主RFQの出口に小型RFQを設置することで、RF場の微分効果による縦方向エネルギー散乱の悪化を緩和する。
• バッファガス冷却を用いて主RFQ部における横方向発散度とエネルギー散乱を低減する。
• SHIRaCからHRSへの効率的なビーム輸送を実現するため、静電的四極子レンズトリプレットを採用する。
• ビームダイナミクスの数値シミュレーションを実施し、発散度の増大、エネルギー散乱、透過効率を予測する。
• プロトタイプ部品とビームテストを用いて、ビーム透過率とエネルギー散乱の実験的検証を実施する。
• ビーム運転中に発生する可能性のある核物質の漏れを防止するため、核化保護システムの設計と統合を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高電流（1 μA）および高発散度（80 π·mm·mrad）のビーム条件下で、RFQ冷却器の縦方向エネルギー散乱を1 eVにまで低減できるか？
• RQ2 RFQの出口におけるRF場の微分効果がビームエネルギー散乱に与える影響は何か？ また、その影響を効果的に抑制できるか？
• RQ3 静電的四極子レンズトリプレットを用いた場合、SHIRaCからHRSへの最大ビーム透過効率はどの程度達成可能か？
• RQ4 RFQの出口に小型RFQを設置することで、標準的なRFQ構成と比較してビーム品質はどの程度向上するか？
• RQ5 核物質の破片によるビームラインの汚染を防止するために、どのような核化保護措置が必要かつ効果的か？

主な発見

• RFQの出口に小型RFQを追加することで、縦方向エネルギー散乱が1 eVにまで低減され、高品質ビーム冷却の目標を達成した。
• 横方向幾何的発散度は1.75 π·mm·mradにまで低減され、目標値の3 π·mm·mradを著しく下回った。
• シミュレーションおよび初期の実験的テストにおいて、HRSへのビーム透過効率が95%を超えた。
• RF場の微分効果が、特に高周波数および高電圧振幅条件下でエネルギー散乱の悪化の主因であることが特定された。
• 1 μAまでの電流で安定したビーム冷却が実現され、SPIRAL2運用におけるスケーラビリティを示した。
• 核化保護手法は、潜在的な核破片の漏れを効果的に封じ込め、ビームラインの安全性を確保した。