[論文レビュー] Flat Bunches with a Hollow Distribution for Space Charge Mitigation

Adrian Oeftiger, Hannes Bartosik+3 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2016

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、CERNのプロトンシンクロトロンブースター（PSB）において、縦方向に中空なバッチを用い、双極子的パラメトリック励振を施すことで、横方向の空間電荷効果を軽減する手法を提案する。RF位相を変調して1:1パラメトリック共鳴を励起することで、バッチコアが枯渇し、中空な位相空間分布が形成され、ピーク線電荷密度が低減される。主な結果として、PSへの入射プラトー期間中、標準的な放物型バッチと比較して水平アンアレンジメントの吹き上がりが24.8–34.8%低減され、空間電荷による周波数シフトも顕著に小さくなる。

ABSTRACT

Longitudinally hollow bunches provide one means to mitigate the impact of transverse space charge. The hollow distributions are created via dipolar parametric excitation during acceleration in CERN's Proton Synchrotron Booster. We present simulation work and beam measurements. Particular emphasis is given to the alleviation of space charge effects on the long injection plateau of the downstream Proton Synchrotron machine, which is the main goal of this study.

研究の動機と目的

• CERNのプロトンシンクロトロン（PS）における1.2秒の入射プラトー期間中に、高輝度LHCビーム性能を制限する横方向空間電荷効果を軽減すること。
• 既存の運用サイクルへの最小限の変更で、PSBで縦方向に中空なバッチを安定して作成するための信頼性の高い手法を開発すること。
• 中空バッチと標準的な放物型バッチの間で、ビーム品質（特にアンアレンジメントの吹き上がりと周波数シフト）に及ぼす空間電荷の影響を比較すること。
• 中空バッチがピーク線電荷密度を低減し、運動量分布を広げることで、横方向空間電荷によるデチューニング効果を軽減することを検証すること。

提案手法

• RF位相ループの位相変調を用いて、PSBで双極子的パラメトリック共鳴を励起し、バッチコアを枯渇させる。駆動周波数はω_drive ≈ 0.9ω_S,linとする。
• 励起は、RFリファレンス位相φ_rf(t) = φ_S + φ̂_drive·sin(ω_drive·t) を同期位相φ_Sの周囲で変調する位相ループフィードバックシステムにより実施される。
• コア枯渇を最大化し、縦方向位相空間における粒子の均一な方位分布を達成するために、1:1共鳴条件（m:n = 1:1）が用いられる。
• 縦方向アンアレンジメントε_zは主に励起振幅φ̂_driveの調整により調整され、位相空間カバレッジを最大化するように持続時間を最適化する。
• ビームパラメータは、PS注入後15 msおよび2番目のバッチ注入の20 ms前におけるトモグラフィーおよびワイヤースキャンにより測定される。
• 水平アンアレンジメントε_xは、測定された運動量分布とビートロン分布の畳み込みを、測定プロファイルに一致させる最小二乗法フィットにより再構成される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSBで作成された縦方向に中空なバッチは、PSの入射プラトー期間中に横方向アンアレンジメントの増大を軽減できるか？
• RQ2 標準的な放物型バッチと比較して、中空バッチプロファイルは空間電荷による周波数シフトをどの程度低減するか？
• RQ3 中空バッチにおけるビームの運動量分布は、ガウス型アンアレンジメントモデル（式2）の妥当性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 位相空間カバレッジを最大化し、ピーク線密度を最小化する最適な励起振幅と持続時間は何か？
• RQ5 同一のRF電圧条件下で、中空バッチと放物型バッチの両方において、アンアレンジメントの吹き上がりは輝度とバッチ長にどのように依存するか？

主な発見

• 中空バッチは理論的理想的な長方形プロファイルと比較して、ピーク線電荷密度を90%低減し、空間電荷効果を顕著に低減した。
• 空間電荷周波数シフトを同一に正規化した場合、中空バッチでは垂直アンアレンジメントの吹き上がりが放物型バッチと比較して24.8–34.8%低減された。
• 中空バッチの実際の横方向空間電荷周波数シフトは、ガウスモデルによる予測より12%低く、λ_maxの低減とσ_xの増加に起因する。
• ガウスモデルは中空バッチのアンアレンジメントを24.8–34.8%低く見積もっており、非ガウス型運動量分布に対して式(2)が不適切であることを確認した。
• 固定RF電圧（80 kV）条件下でも、全輝度レベルにおいて中空バッチはアンアレンジメントの吹き上がりが一貫して低く、空間電荷の低減効果が優れていることを示した。
• 本手法は、PSB運用サイクルへの最小限の変更で、中空バッチの信頼性の高い繰り返し生成を達成し、PSへの移行を途切れなく行えることを実証した。