[論文レビュー] Hie-Isolde High Beta Cavity Study and Measurements

A. D’Elia, R.M. Jones+1 more|ArXiv.org|Oct 2, 2009

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 6被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、CERNのHIE-ISOLDEアップグレード用に、銅上にスパッタリングしたNbを用いた高β超伝導四分音波キャビティ（QWR）の設計、シミュレーション、室温測定を提示する。キャビティは最適化されたピーク電場を備え、6 MV/mの目標加速電場を達成し、Q₀ ≈ 11,700、機械的チューナーによる200 kHzの周波数チューニング範囲を有する。測定値は100.885 MHzで設計値100.900 MHzと±0.1 MHz以内で一致した。

ABSTRACT

The upgrade of the ISOLDE machine at CERN foresees a superconducting linac based on two gap independently phased Nb sputtered Quarter Wave Resonators (QWRs) working at 101.28MHz and producing an accelerating field of 6MV/m on axis. A careful study of the fields in the cavity has been carried out in order to pin down the crucial e-m parameters of the structure such as peak fields, quality factor and e-m power dissipated on the cavity wall. A tuning system with about 200kHz frequency range has been developed in order to cope with fabrication tolerances. In this paper we will report on the cavity simulations. The tuning plate design will be described. Finally the frequency measurements on a cavity prototype at room temperature will be presented.

研究の動機と目的

• HIE-ISOLDEアップグレード用に、6 MV/mの軸上加速電場を達成する高β超伝導四分音波キャビティ（QWR）の設計。
• スパッタリングプロセスの制約を考慮しつつ、電磁気的パラメータ（ピークE/H電場、Q₀、Rsh/Q）の最適化。
• 製造公差を補償するため、約200 kHzの周波数チューニング範囲を有する機械的チューナーの開発。
• 各製造段階における電磁界シミュレーションと室温RF測定を通じて、キャビティ性能の検証。
• 既存のISOLDEリニアックパラメータ（101.28 MHz、A/q = 2.5–4.5）およびビームダイナミクス要件との適合性の確保。

提案手法

• HFSS、CST Microwave Studio、SUPERFISHを用いた3次元電磁界シミュレーションにより、キャビティの電場およびQ₀をモデル化。
• シミュレーションツールの一貫性を確保するため、対称的でビームポートのない幾何形状を用いてツールをキャリブレーション。
• 20 mmのストロークを有する機械的チューナーを設計し、理論的チューニングレート12.25 kHz/mmを達成。
• 機械加工、溶接、チップギャップ調整の各主要製造工程後に、室温でのRF測定を実施。
• カップラーおよびピックアッププローブの挿入位置の変更を用いて、シミュレート値と測定値の周波数を相互に検証。
• 真空状態から空気状態、室温効果を補正するため、測定値およびシミュレーション値の周波数をスケーリング。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビームダイナミクスおよびスパッタリングプロセスの制約を考慮した場合、スパッタリングNbを用いた高βQWRの最適な電磁気的パラメータ（E_peak、H_peak、Q₀）は何か？
• RQ2 機械的チューナーは、製造公差を補償するための十分な周波数チューニング範囲（約200 kHz）をどのように提供できるか？
• RQ3 各製造段階におけるシミュレーション結果（HFSS、CST、SUPERFISH）と実験測定値の一致度はどの程度か？
• RQ4 溶接およびチップギャップ調整がキャビティの共振周波数およびQ₀に与える影響は何か？
• RQ5 シミュレーションと繰り返し測定を用いて、最終的なキャビティ周波数を正確に予測・制御できるか？

主な発見

• 溶接後のシミュレーテッドQ₀は11,795、測定Q₀は11,380であり、シミュレーションと整合的で、表面品質が良好であることを示した。
• ピーク電場および磁場はそれぞれ11.38 MV/mおよび16.71 kA/mに最小化され、シミュレーションコード間で良好な一致を示した。
• 最終的なチップギャップカット後の測定共振周波数は100.885 MHzであり、設計値100.900 MHzと非常に近く（差：-0.015 MHz）、良好な一致を示した。
• チューナーをリターン位置に置いたシミュレーテッド周波数は100.861 MHz、測定値は100.885 MHzであり、スケーリング後、優れた一致を示した。
• チューナー系は20 mmのストロークで245 kHzの粗いチューニング範囲を提供し、製造公差補償のための200 kHz要件を満たした。
• 表面抵抗Rsは46 nΩと推定され、6 MV/mにおける予想される損失電力は7 Wであり、設計目標と整合的であった。