[論文レビュー] Injection and extraction magnets: kicker magnets

T. Fowler, L. Sermeus+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2011

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 53被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、ビーム注入および抽出に用いられるキッカー磁石に関する包括的なレビューを提示している。主に設計、動作、および電磁セプタととの統合に焦点を当てている。高速上昇、低磁場のキッカーパルスと、高磁場で遅いパルスを発生させるセプタを組み合わせることで、マルチステージ加速器における正確なビーム制御を実現する。CERNや類似施設での応用を想定した、ハードウェア最適化とシステムレベルの性能解析に関する主な貢献がなされている。

ABSTRACT

Each stage of an accelerator system has a limited dynamic range and therefore a chain of stages is required to reach high energy. A combination of septa and kicker magnets is frequently used to inject and extract beam from each stage. The kicker magnets typically produce rectangular field pulses with fast rise- and/or fall-times, however, the field strength is relatively low. To compensate for their relatively low field strength, the kicker magnets are generally combined with electromagnetic septa. The septa provide relatively strong field strength but are either DC or slow pulsed. This paper discusses injection and extraction systems with particular emphasis on the hardware required for the kicker magnet.

研究の動機と目的

• キッカー磁石が加速器ステージをまたがってビーム注入および抽出を可能にする役割を分析すること。
• 高ダイナミックレンジを有する加速器システムにおいて、低磁場のキッカー磁石を用いて高速かつ正確なビーム誘導を達成する課題に対処すること。
• キッカー磁石と電磁セプタの相乗効果が、最適なビーム転送効率を実現する仕組みを検討すること。
• 特に高強度および高エネルギー施設を想定した、現代の加速器におけるキッカー磁石システムの設計および運用ガイドラインを提供すること。
• 詳細なハードウェアおよびシステムレベルの解析を通じて、信頼性が高く高性能なキッカーシステムの開発を支援すること。

提案手法

• パルス生成、立ち上がり／立ち下がり時間要件、および磁場プロファイルの形状調整を含む、キッカー磁石の原理のレビュー。
• セプタが強い静的または遅いパルス磁場を提供するのに対し、キッカー磁石とセプタの統合に関する分析。
• コンデンサバンク、パルス形成ネットワーク、および伝送線路構成を含む、電磁的および機械的設計上の考慮事項の議論。
• CERNや他の施設からの実際の事例の提示。これには、磁場プロファイルの測定とタイミング同期が含まれる。
• 時間領域でのモデリングおよびシミュレーション技術を用いて、キッカーパルス波形とビーム応答を予測する。
• 磁場の平坦性、タイミングジッタ、インピーダンス制御といった、システムレベルの性能指標の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キッカー磁石は、マルチステージ加速器システムにおいて、どのように正確なビーム注入および抽出を可能にするか？
• RQ2 立ち上がり／立ち下がり時間、磁場強度、インピーダンスの観点から、キッカー磁石の設計にかかる主な制約は何か？
• RQ3 電磁セプタと組み合わせた場合、キッカー磁石の性能はどのように最適化されるか？
• RQ4 キッカーシステムにおけるタイミングジッタおよび磁場歪みの主な要因は何か。それらはどのように低減できるか？
• RQ5 高強度および高エネルギー加速器向けにキッカー磁石システムをスケーリングする際の実用的実装上の課題は何か？

主な発見

• キッカー磁石は、短く、矩形の磁場パルスを発生させ、1ナノ秒未塔の立ち上がり時間を有することで、正確なビームキックを可能にする。
• 低磁場強度のため、キッカー磁石は通常、ビームの偏光を実現する強力で安定した磁場を提供する電磁セプタと併用される。
• システム性能は、キッカーパルスとビーム到着の間の正確なタイミング同期に強く依存しており、ジッタ要件はしばしば10 ps未塔である。
• ビーム断面全体における磁場の平坦性と均一性が重要であり、これはパルスエンVELOPの正確な形状合わせと磁気的幾何構造の最適化によって達成される。
• インピーダンス制御と電力供給効率は主な課題であり、最適化されたパルス形成ネットワークと伝送線路設計が求められる。
• 本論文のCERNおよびCAS 2009コースからの事例研究は、実際の加速器環境におけるキッカーシステムの成功した実装を示している。