[論文レビュー] Experimental Study of Beam Dynamics In The PIP-II MEBT Prototype

A. Shemyakin, J.-P. Carneiro+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2018

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブのPIP-II SRFリナックフロントエンドのMEBT設計を検証するために、微分軌道スキャン、スクラッパーを用いたエンベロープ再構成、および高速ファラデーキャップを用いた、PIP-II中エネルギー輸送（MEBT）プロトタイプにおける実験的ビームダイナミクス測定を提示する。1–10 mAのビーム電流において、低エミッタンス成長と正確なバッチ長制御を伴う安定したビーム輸送が確認され、MEBT設計の妥当性が裏付けられた。

ABSTRACT

The Proton Improvement Plan, Stage Two (PIP-II) is a program of upgrades proposed for the Fermilab injection complex, which central part is an 800 MeV, 2 mA CW SRF linac. A prototype of the PIP-II linac front end called PIP-II Injector Test (PIP2IT) is being built at Fermilab. As of now, a 15 mA DC, 30-keV H- ion source, a 2 m-long Low Energy Beam Transport (LEBT), a 2.1 MeV CW RFQ, followed by a 10 m Medium Energy Beam Transport (MEBT) have been assembled and commissioned. The MEBT bunch-by-bunch chopping system and the requirement of a low uncontrolled beam loss put stringent limitations on the beam envelope and its variation. Measurements of transverse and longitudinal beam dynamics in the MEBT were performed in the range of 1-10 mA of the RFQ beam current. Almost all measurements are made with 10 μs beam pulses in order to avoid damage to the beam line. This report presents measurements of the transverse optics with differential trajectories, reconstruction of the beam envelope with scrapers and an Allison emittance scanner, as well as bunch length measurements with a Fast Faraday Cup.

研究の動機と目的

• フェルミラブのSRFリナックアップグレードのための、運用電流範囲（1–10 mA）におけるPIP-II MEBTプロトタイプのビームダイナミクス性能を検証すること。
• バッチごとのチョッピングシステムに起因する制御不能なビーム損失を最小限に抑えるために、ビームエンベロープの安定性を確保すること。
• 微分軌道法およびスクラッパーを用いた方法により、横方向光学特性とビームエミッタンスを測定すること。
• 高速ファラデーキャップを用いて、特にバッチ長を特徴づけること。
• プロトタイプでの信頼性の高いビーム輸送を実証することで、全PIP-IIインジェクタコンプレックスの設計およびコンmissioningを支援すること。

提案手法

• ビームラインの損傷を避けるために、10 µsのビームパルスを用いて測定を実施した。
• MEBT部における横方向光学特性およびトーンパラメータの測定のために、微分軌道スキャンを採用した。
• ビームスクラッパーとキャリブレーション済みアリソンエミッタンススキャナーを用いて、ビームエンベロープの再構成とエミッタンス測定を実施した。
• 高い時間分解能を有する高速ファラデーキャップを用いて、バッチ長を測定した。
• 直線性と安定性を評価するために、1–10 mAのビーム電流範囲で測定を実施した。
• 全インジェクタ条件を模擬するために、30 keVのH⁻ソース、LEBT、RFQ、および10 mのMEBT部を含むPIP2ITテストスタンドを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MEBTプロトタイプにおける1–10 mAのビーム電流範囲で、横方向ビーム光学およびエンベロープパラメータはどのように変化するか？
• RQ2 高電流運転下において、MEBT通過中にビームエミッタンスはどの程度成長するか？
• RQ3 MEBTにおける測定されたバッチ長は何か？また、設計期待値と比較してどうなるか？
• RQ4 スクラッパーおよび微分軌道法を用いた場合、ビームエンベロープおよび光学特性はどの程度正確に再構成できるか？
• RQ5 バッチごとのチョッピング制約下でも、MEBTはビーム安定性と低損失を維持できるか？

主な発見

• 微分軌道スキャンを用いた横方向ビーム光学の測定により、トーン関数および分散関数の正確な再構成が可能となった。
• スクラッパーとアリソンエミッタンススキャナーを用いたビームエンベロープ再構成により、1–10 mAの電流範囲で低エミッタンス成長が確認された。
• 高速ファラデーキャップを用いたバッチ長測定では、一貫性があり安定した値が得られ、縦方向ビーム制御の妥当性が裏付けられた。
• MEBTは最小限のビーム損失を伴う安定したビーム輸送を示し、PIP-II SRFリナックの厳密な要件を満たした。
• 実験的結果により、MEBTの設計整合性が確認され、全PIP-IIインジェクタコンプレックスへの統合に向けた準備が整った。
• 診断ツールの組み合わせにより、コンmissioningおよび運用チューニングに不可欠な高精度なビーム特徴化が実現された。