[論文レビュー] High Power Operations of LEDA

L.M. Young, Lawrence Rybarcyk+3 more|ArXiv.org|Aug 18, 2000

Sensor Technology and Measurement Systems参考文献 12被引用数 25

ひとこと要約

本論文では、350 MHzのラジオ周波数四重極子（RFQ）を用いて、100 mAの陽子ビーム電流を6.7 MeVで達成したLEDA RFQ加速器の高出力連続波（CW）運転の成功を報告する。設計電場レベルを10%超過したが、94%の透過率を維持し、1.5 MWのRF電力損失を発生させ、累積ビーム運転時間111時間にわたる670 kWのビーム出力で安定したCW運転を実現した。

ABSTRACT

The LEDA RFQ, a 350-MHz continuous wave (CW) radio-frequency quadrupole (RFQ), successfully accelerated a 100-mA CW proton beam from 75 keV to 6.7 MeV. We have accumulated 111 hr of beam on time with at least 90 mA of CW output beam current. The 8-m-long RFQ accelerates a dc, 75-keV, ~106-mA H+ beam from the LEDA injector with ~94% transmission. When operating the RFQ at the RF power level for which it was designed, the peak electrical field on the vane tips is 33 MV/m. However, to maintain the high transmission quoted above with the CW beam, it was necessary to operate the RFQ with field levels ~10% higher than design. The RFQ dissipates 1.5 MW of RF power when operating with this field. Three klystrons provide the 2.2 MW of RF power required by the RFQ to accelerate the 100-mA beam. The beam power is 670 kW. Some of the challenges that were met in accelerating a 100-mA CW proton beam to 6.7 MeV, will be discussed.

研究の動機と目的

• 100 mAビーム電流でのLEDのRFQ加速器における安定した高電流連続波（CW）運転の実証。
• 当初の設計仕様を超える出力レベルでのRFQ運転に伴う課題の調査。
• 長時間にわたる運用期間中に100-mAのCW陽子ビームを用いて、高透過効率（≥90%）を達成・維持すること。
• 熱的およびRF安定性を含む、高出力条件下でのRFQの性能検証。
• 2.2 MWのRF電力を持続的に供給可能なクライストロンの使用の可能性の評価。

提案手法

• 75 keV、約106 mAのH+ビームをインジェクタから供給し、350 MHz連続波ラジオ周波数四重極子（RFQ）としてのLEDのRFQを運転した。
• 3基のクライストロンが2.2 MWのRF電力を供給し、100-mAビーム電流を維持した。
• ビームの高透過率を確保するために、バンチ端でのピーク電界を33 MV/mに設定し、設計値を10%超過した。
• 高出力運転中、RFQ全長8メートルにわたり、ビーム透過率が94%であった。
• フルビーム負荷下で、RF電力損失が1.5 MWに達し、顕著な熱的およびRF負荷の課題を示した。
• 90 mA以上のビーム電流を維持した111時間にわたる累積ビームオン時間にわたり、運用安定性が確保された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高RF電力負荷下での連続波（CW）RFQ加速器で、実現可能な最大安定ビーム電流はどれくらいか？
• RQ2 設計電界レベルを超えて運転した場合、CW陽子加速器におけるビーム透過率とRFQ安定性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 100-mAビームを用いて1.5 MWの損失RF電力を発生させるRFQを運転する際の熱的およびRF負荷の課題は何か？
• RQ4 名目設計電界を超えて運転する場合でも、CW RFQで高透過率（≥94%）を維持できるか？
• RQ5 6.7 MeVまで100-mAのCW陽子ビーム加速を維持するには、どの程度の出力レベルとクライストロン構成が必要か？

主な発見

• LEDのRFQは、75 keVから6.7 MeVにまで100-mAのCW陽子ビームを加速し、ビーム出力を670 kWに達成した。
• 100-mAビーム電流を用いた運転において、RFQ全長8メートルにわたり94%の透過効率を維持した。
• バンチ端でのピーク電界は33 MV/mに達し、設計値を10%超過することで高透過率を確保した。
• 運転中、RFQは1.5 MWのRF電力を損失し、3基のクライストロンから供給された2.2 MWの入力RF電力に依存した。
• 90 mA以上のビーム電流を維持した111時間にわたる連続運転が実現され、長期的な安定性が確認された。
• 結果として、当初の設計パrameterを超える高出力・高電流CW運転がRFQ加速器で実現可能であることが裏付けられた。