[論文レビュー] Measurement of the six Dimensional Phase Space at the New GSI High Current Linac

P. Forck, F. Heymach+3 more|ArXiv.org|Aug 17, 2000

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、GSI High Current Linacにおける高電流イオンビームの6次元位相空間を測定する、破壊的でない新規診断システムを提示する。時間飛行法を用いたCVDダイヤモンド検出器と、二次電子を用いた一致計測法により、25 psの時間分解能を達成し、縦方向のビームパルス構造と.emitmentをマッピングした。その結果、空間電荷効果に起因する電流依存性の顕著なフィラメント化およびエネルギー散乱の拡大が明らかになった。

ABSTRACT

For the characterization of the 10 mA ion beam delivered by the new High Current Linac at GSI, sophisticated, mainly non-intersepting diagnostic devices were developed. Besides the general set-up of a versatile test bench, we discuss in particular bunch shape and emittance measurements. A direct time-of-flight technique with a diamond particle detector is used to observe the micro-bunch distribution with a resolution of $\sim 25 $ ps equals 0.3$^{o}$ in phase. For the determination of the energy spread a coincidence technique is applied, using secondary electrons emitted by the ion passing through an aluminum foil 80 cm upstream of the diamond detector. The transverse emittance is measured within one macro pulse with a pepper-pot system equipped with a high performance CCD camera.

研究の動機と目的

• GSI High Current Linacにおける高電流イオンビームの6次元位相空間を特徴付ける破壊的でない診断法の開発を目的とする。
• ナノ秒未塔の分解能を用いて縦方向のビームパルス構造を測定し、ビームダイナミクスのシミュレーションを検証するとともに、Linacの性能最適化を図ることを目的とする。
• イオンがダイヤモンド検出器に到着する時間と、アルミニウム箔から放出される二次電子との一致計測を用いて、縦方向の.emitmentを測定することを目的とする。
• 高精度なペッパー・ポットシステムとCCDカメラを用い、1つのマクロパルス内での横方向.emitmentを測定することで、高ビーム出力下でのリアルタイム診断を可能とすることを目的とする。
• 低電流および高電流ビームの測定を比較することにより、空間電荷効果がビーム品質に与える影響を調査することを目的とする。

提案手法

• CVDダイヤモンド検出器と二段階閾値ディスクリミネータを備えた時間飛行系が、36 MHzのRFサイクルに対して25 psの分解能でイオン到着時間を測定する。
• イオンパルス形状は、2.5°で210 μg/cm²のタングステン箔を通過させることで再構成され、検出器の飽和を避けるためビーム電流を10⁻⁸に減衰させる。
• 縦方向.emitmentは、イオンがダイヤモンド検出器に到着する時間と、80 cm上流にある15 μg/cm²のAl箔からの二次電子放出との一致計測により測定される。
• 横方向.emitmentは、15×15個の穴（穴径0.1 mm）を有する45×45 mm²の銅板を備えたペッパー・ポットシステムを用い、ヘリウムネオンレーザーを介してビームレット像をサファイアスクリーンに投影する。
• ビームプロファイルは12ビットのCCDカメラ（PCO SensiCam）で撮影され、背景差し引きとキャリブレーションを施して機械的不確実性を補正する。
• 時間飛行および電子放出データから位相空間分布を再構成し、その射影を用いて.emitmentを計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1.4 MeV/uの高電流イオンビームにおいて、ビーム電流が縦方向のビームパルス構造および.emitmentに与える影響は何か？
• RQ2 RF減衰が存在しない状況下で、空間電荷力がどの程度ビームのフィラメント化およびエネルギー散乱の拡大を引き起こすか？
• RQ3 二次電子とダイヤモンド検出器を用いた一致計測法が、25 ps未満の十分な時間分解能を達成でき、縦方向位相空間を高精度に測定できるか？
• RQ4 ガスストリッパーの不均一性が、測定されたエネルギー散乱および位相空間分布にどのような影響を及えるか？
• RQ5 検出器の幾何学的形状および電場の非均一性が、縦方向.emitment測定の正確性に与える影響は何か？

主な発見

• システムは25 psの時間分解能を達成し、これは0.3°の位相幅に対応し、高精度な縦方向位相空間測定を可能にした。
• 0.1 mAのAr⁺ビームでは、測定された縦方向.emitmentはシミュレーションと整合的であったが、5 mAのビームでは空間電荷効果に起因する顕著なフィラメント化および.emitmentの増加が観測された。
• エネルギー散乱は、低電流時における1.7%（FWHM）から高電流時（5 mA）の2.8%に増加し、位相空間プロットでも明確な相関が示された。これはビーム不安定性を示唆している。
• 測定されたエネルギー散乱は、粒子追跡シミュレーションの予測値の2倍に達した。これは、二次電子の加速電場の不均一性および検出器のタイミングジッタが主な要因であると考えられる。
• ペッパー・ポットシステムは、1つのマクロパルス内での横方向.emitmentを成功裏に測定した。ビームレットはサファイアスクリーンに投影され、背景差し引きを施したCCDカメラで処理された。
• ペッチャー・ポット画像における5%の背景レベルは、散乱光に起因するとされ、emitment計算における系統的誤差を避けるために補正が必要であった。