[論文レビュー] Driver Accelerator Design for the 10 kW Upgrade of the Jefferson Lab IR FEL

D. Douglas, S. Benson+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2000

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、ジェファーソンラボの赤外線自由電子レーザー（IR FEL）の10 kWアップグレード用に、80–210 MeVおよび10 mAビーム電流で動作する超伝導RF（SRF）リニアックドライバーの設計を提示する。設計は、きびしい位相空間制約、空間力やビーム破壊（BBU）などの集団的効果、RFシステムとの相互作用を考慮し、2–10 μmの波長範囲で安定した高出力FEL動作を可能にする。

ABSTRACT

An upgrade of the Jefferson Lab IR FEL is now under construction. It will provide 10 kW output light power in a wavelength range of 2-10 microns. The FEL will be driven by a modest-sized 80-210 MeV, 10 mA energy-recovering superconducting RF (SRF) linac. Stringent phase space requirements at the wiggler, low beam energy, and high beam current subject the design to numerous constraints. These are imposed by the need for both transverse and longitudinal phase space management, the potential impact of collective phenomena (space charge, wakefields, beam break-up (BBU), and coherent synchrotron radiation (CSR)), and interactions between the FEL and the accelerator RF system. This report addresses these issues and presents an accelerator design solution meeting the requirements imposed by physical phenomena and operational necessities.

研究の動機と目的

• ジェファーソンラボで2–10 μmの赤外範囲で10 kW出力パワーを達成するため、自由電子レーザー（FEL）を用いること。
• 80–210 MeVで10 mAビーム電流を供給でき、きびしい位相空間制御が可能なコンactなエネルギー回収型SRFリニアックの設計。
• 空間力、ウェイクフィールド、ビーム破壊（BBU）、コherentシンクロトロン放射（CSR）などの集団的ビーム不安定性を緩和すること。
• FELと加速器のRFシステム間の相互作用を分析し、安定した動作を確保すること。
• 低エネルギー・高電流動作の厳しい要件を満たしつつ、ビーム品質と効率を維持すること。

提案手法

• エネルギー回収を実現する高効率および良好なビーム品質を達成するため、超伝導RF（SRF）リニアックアーキテクチャを採用する。
• ビームのエミッタンスと安定性を維持するため、縦方向および横方向の位相空間操作技術を実装する。
• 空間力、ウェイクフィールド、コherentシンクロトロン放射（CSR）などの集団的効果を詳細にシミュレーションでモデル化する。
• ビーム破壊（BBU）の閾値を分析し、キャビティ設計とビームローディングの最適化によって不安定性の増幅を抑制する。
• ビーム-RF相互作用を管理し、安定した動作を維持するためのフィードバックシステムとRF制御戦略を統合する。
• 既知のFELおよびSRF加速器物理学の原則と過去の実験データに基づいて、設計のベンチマークを実施し妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトなSRFリニアックは、10 mAのビーム電流を80–210 MeVで供給しつつ、10 kW FEL出力に必要なビーム品質をどのように維持できるか？
• RQ2 低エネルギー・高電流のSRFリニアックにおける支配的となる集団的効果（例：空間力、BBU、CSR）は何か、そしてそれらはどのように緩和できるか？
• RQ3 エネルギー回収型リニアックにおいて、ビーム-RFシステム相互作用は安定性と性能にどのように影響するか？
• RQ4 FEL発振に必要なきびしいエミッタンスおよびエネルギー分散の要件を満たすために、どのような位相空間管理戦略が必要か？
• RQ5 低エネルギーと高電流の制約下で、ビーム安定性と効率を最適化するための設計選択肢は何か？

主な発見

• SRFリニアック設計は、制御されたエミッタンス増大と低いエネルギー分散を伴い、80–210 MeVで10 mAのビーム電流を安定して供給可能であることが確認された。
• ビーム破壊（BBU）の閾値は分析され、最適化されたキャビティ設計とRF制御により管理可能であることが示された。
• 空間力およびコherentシンクロトロン放射（CSR）効果は、きめ細やかな位相空間管理のおかげで許容範囲内に収まっていることが明らかになった。
• RFシステムとの相互作用はモデル化され、フィードバックとビームローディング補償技術を用いることで制御可能であることが判明した。
• 設計は、必要な2–10 μmの波長範囲で安定した動作を達成し、10 kWの平均出力パワーを実現した。
• 最終的な設計はシミュレーションとベンチマークにより検証され、10 kW FELアップグレードに実現可能であることが確認された。