[論文レビュー] Latest Developments from the S-DALINAC*

M. Brunken, H. Genz+16 more|ArXiv.org|Aug 16, 2000

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、超伝導電子加速器S-DALINACにおける主な進展を提示している。非侵襲的ビーム診断（RFモニターやコンプトンダイオードを用いたもの）、非ガウス分布を想定しない横断的位相空間トモグラフィー、外部2K冷凍タンクを用いたキャビティQファクターの改善テスト、およびデジタルRFフィードバックシステムの開発が含まれる。これらのアップグレードにより、ビーム安定性が向上し、エネルギー散乱が低減され、核物理学および自由電子レーザー運用のための診断性能が向上する。

ABSTRACT

The S-DALINAC is a 130 MeV superconducting recirculating electron accelerator serving several nuclear and radiation physics experiments as well as driving an infrared free-electron laser. A system of normal conducting rf resonators for noninvasive beam position and current measurement was established. For the measurement of gamma-radiation inside the accelerator cave a system of Compton diodes has been developed and tested. Detailed investigations of the transverse phasespace were carried out with a tomographical reconstruction method of optical transition radiation spots. The method can be applied also to non-Gaussian phasespace distributions. The results are in good accordance with simulations. To improve the quality factor of the superconducting 3 GHz cavities, an external 2K testcryostat was commissioned. The influence of electro-chemical polishing and magnetic shielding is currently under investigation. A digital rf-feedback-system for the accelerator cavities is being developed in order to improve the energy spread of the beam of the S-DALINAC. * Supported by the BMBF under contract no. 06 DA 820, the DFG under contract no. Ri 242/12-1 and -2 and the DFG Graduiertenkolleg 'Physik und Technik von Beschleunigern'

研究の動機と目的

• S-DALINAC超伝導電子加速器におけるビーム診断および運用安定性の向上を目的とする。
• 通常導体RFキャビティを用いた非侵襲的ビーム位置および強度モニタの開発を目的とする。
• 加速器ホール内でのガンマ線放射線の正確な測定を可能にするコンプトンダイオードの開発を目的とする。
• 光学的遷移放射線トモグラフィーを用いて、ガウス分布を仮定しない形で横断的位相空間分布を再構成することを目的とする。
• 3 GHz超伝導キャビティの品質因子（Q値）の向上を調査し、達成可能なビームエネルギーの増大を目的とする。
• ビームエネルギー散乱を低減し、制御精度を向上させるためにデジタルRFフィードバックシステムの実装を目的とする。

提案手法

• 非侵襲的ビーム位置および強度モニタとして、通常導体TM010およびTM110キャビティを用い、負荷Q < 1000で動作させ、低レベル信号の分解能を確保するためロックイン検出を採用した。
• アクリルで絶縁された lead およびアルミニウム電極を備えたコンプトンダイオードを開発し、コンプトン散乱を介してガンマ線を検出。出力は変換され増幅され、ADC読み取りが可能となった。
• CCDカメラと可変な四極子磁場設定を用いた光学的遷移放射線（OTR）トモグラフィーを適用し、18の投影から横断的位相空間を再構成した。
• ガウス分布や対称性を仮定しない位相空間分布の再構成のため、独自のIDLベースのアルゴリズムを開発した。
• キャビティQファクターを制御された条件下で孤立して系的に調査できるよう、外部2Kテスト冷凍タンクを導入した。
• 3 GHzキャビティ励振のため、250 kHzへのダウンコンバージョン、1 MHzサンプリング、DSPベースのフィールドベクトル生成、および3 GHzへのアップコンバージョンを実装したデジタルRF制御システムを設計した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低ビーム電流下でも、非侵襲的RFモニタが1μAビーム電流で0.1 mmのビーム位置シフトをサブミクロン分解能、1μAで1ナノアンペア未満の電流感度で検出可能か？
• RQ2 コンプトンダイオードが加速器環境下で信頼性があり、丈夫で線形なガンマ線線量率測定を可能にするか？
• RQ3 OTR画像のトモグラフィック再構成が、非ガウスビームの横断的位相空間分布を正確に回復できるか？
• RQ4 3 GHz超伝導ニオブiumキャビティのQ値が設計目標の3×10⁹未満にとどまる要因は何か？
• RQ5 アナログシステムと比較して、デジタルRFフィードバックシステムがビームエネルギー散乱をどの程度低減できるか？

主な発見

• RFビーム位置および強度モニタは、15 pW/(mm·μA)²および15 nW/(μA)²の感度を達成し、1 μAビーム電流下で0.1 mmのビーム位置シフトを検出可能となった。
• コンプトンダイオードはガンマ線線量率に対して線形応答を示し、ブレムストラール標的での電子ビーム電流に比例した出力電圧を示した。これにより、放射線モニタリング用途への適性が確認された。
• 18のOTR投影からの位相空間再構成では、シミュレーションと比較して15%未満のエミッタンス誤差が得られ、8 MeVビームにおいて測定値と従来のエミッタンス値の間に良好な一致が得られた。
• キャビティQ値は1×10⁹で測定され、設計目標の3×10⁹に比べて顕著に低く、2 Kでの残余抵抗が276 nΩであった。これは、材料的・表面的制限が顕著であることを示唆している。
• デジタルRFフィードバックシステムは、アナログシステムと比較してビームエネルギー散乱を3倍低減すると予想され、FELおよび実験用ビーム品質の向上が期待される。
• 外部2Kテスト冷凍タンクにより、加速器運用に支障をきたさずに、表面処理や磁気シールド効果がキャビティQファクターに与える影響を体系的に調査できるようになった。