[論文レビュー] Heavy-Ion Beam Acceleration of Two-Charge States from an Ecr Ion Source

P. N. Ostroumov, K.W. Shepard+2 more|ArXiv.org|Aug 19, 2000

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ECRイオンソースからのウランイオンの2つのイオン化状態（29+ および 30+）を、特注の低エネルギービーム輸送（LEBT）、RFQ、およびマッチング部を備えたカスタマイズされた前段階加速器（front-end）を用いて同時に加速するための設計を提示している。マルチハーモニックバンチャーと速度等化型2番目のバンチャーを採用することで、縦方向のミスエミッタンスが0.2 S·keV/u·nsec未満に抑えられ、エミッタンスの増大を最小限に抑えつつ、重イオンの二重イオン化状態での効率的な加速が可能となり、ビーム電流が2倍に増加する。

ABSTRACT

This paper describes a design for the front end of a superconducting (SC) ion linac which can accept and simultaneously accelerate two charge states of uranium from an ECR ion source. This mode of operation increases the beam current available for the heaviest ions by a factor of two. We discuss the 12 MeV/u prestripper section of the Rare Isotope Accelerator (RIA) driver linac including the LEBT, RFQ, MEBT and SC sections, with a total voltage of 112 MV. The LEBT consists of two bunchers and electrostatic quadrupoles. The fundamental frequency of both bunchers is half of the RFQ frequency. The first buncher is a multiharmonic buncher, designed to accept more than 80% of each charge state and to form bunches of extremely low longitudinal emittance (rms emittance is lower than 0.2 keV/u nsec) at the output of the RFQ. The second buncher is located directly in front of the RFQ and matches the velocity of each charge-state bunch to the design input velocity of the RFQ. We present full 3D simulations of a two-charge-state uranium beam including space charge forces in the LEBT and RFQ, realistic distributions of all electric and magnetic fields along the whole prestripper linac, and the effects of errors, evaluated for several design options for the prestripper linac. The results indicate that it is possible to accelerate two charge states while keeping emittance growth within tolerable limits.

研究の動機と目的

• ウランのような重イオンのECRイオンソースからのビーム強度が低いという制限を解消し、RIA施設における達成可能なビーム出力の制限を克服すること。
• ウランイオンの2つのイオン化状態（29+ および 30+）を同時に加速し、利用可能なビーム電流を2倍にすること。
• 空間電荷力およびイオン化状態間の速度不一致の影響を受けるにもかかわらず、エミッタンスの増大を最小限に抑える前段階リニアック（LEBT、RFQ、MEBT、SRF）の設計を実施すること。
• 空間電荷力、場の誤差、実際の場分布を含むフル3次元シミュレーションを通じて、二重イオン化状態での運用の可能性を検証すること。

提案手法

• RFQの基本周波数の半分である28.75 MHzのマルチハーモニックバンチャー（B1）を用い、ビーム速度を変調し、低エミッタンスのビームバッチを形成。
• 同じ周波数の2番目のバンチャー（B2）を用い、RFQへの入射前に29+および30+ウランイオンの速度を等化。
• 電界のイオン化状態に依存しない横方向の焦点化を実現する静電的四極子レンズ（Q1–Q8）を用いたLEBTを設計し、RFQへのビーム受容性を最適化。
• 空間電荷力も含む実際の3次元静電場およびRF場を考慮したフル3次元ビームダイナミクスシミュレーションを、DYNAMIONおよびLANAコードを用いて実施。
• RFQのパラメータ（同期位相、場分布）を最適化し、縦方向エミッタンスをフィルタリングし、rmsエミッタンスを0.2 S·keV/u·nsec未満に達成。
• COSYを用いてリズム設計および最適化（3次項を含む）を実施し、結果をフル3次元シミュレーションで検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重イオンの二重イオン化状態（29+ および 30+）を、許容できるエミッタンス増大の範囲で超伝導リニアックで同時に受容・加速できるか？
• RQ2 二重イオン化状態ビームにおいて、速度不一致と空間電荷力が引き起こすビームダイナミクス上の課題は何か。それらはどのように緩和できるか？
• RQ3 12 MeV/uのエネルギー点を持つプリストリッパー・リニアックは、複数のイオン化状態に対してビーム品質と安定性を維持できるか？
• RQ4 二重イオン化状態運用に於いて、0.2 S·keV/u·nsec未満の縦方向エミッタンスを達成するためのRFQおよびLEBT設計はどのようなものか？

主な発見

• LEBTおよびRFQの設計は、29+および30+ウランイオンの両方を効果的に受容・加速でき、水平方向ではrmsエミッタンス増大が7%未満、垂直方向では観察可能な増大がなかった。
• マルチハーモニックバンチャーは、各イオン化状態のビーム受容率が80%を超えて達成され、RFQ出口での縦方向エミッタンスが0.2 S·keV/u·nsec未満に抑えられた。
• 2番目のバンチャーは、2つのイオン化状態の速度を効果的に等化し、RFQの入射速度要件（v/c = 0.01893）への適正なマッチングを可能にした。
• フル3次元シミュレーションにより、実際の場の誤差および空間電荷効果を考慮しても、LEBT、RFQ、MEBT、SRFリニアック部の各セクションでエミッタンス増大が許容範囲内に保たれていることが確認された。
• 縦方向位相空間プロットから、二重イオン化状態ビームが安定領域内に保たれており、主なエミッタンス増大要因は同期位相のずれ（オフ・チューニング）に起因するが、依然として受容範囲（±3%エネルギー、±30°位相）内に収まっていた。
• 本システムは、重イオンの二重イオン化状態同時加速が可能であり、ビーム電流を2倍に増加させることで、RIAの400 kWウランビーム出力の目標を達成可能であることを示した。