[論文レビュー] rf Breakdown with and without External Magnetic Fields

R.B. Palmer, R. Fernow+3 more|ArXiv.org|Sep 9, 2008

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 5被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、RFキャビティ内における磁場依存性の破壊モデルを提案する。このモデルでは、軸方向磁場によって集束される場 emitted 電子がキャビティ表面を溶融させ、蒸発とイオン化を引き起こし、破壊を誘発する。このモデルは805 MHzでの実験データを説明でき、ニュートリノファクトリーおよびミューオンコライダー設計で規定されている値よりも著しく低い破壊勾配を201 MHzで予測する。したがって、場 emitted 損傷を抑制するための磁場絶縁技術の導入が不可欠である。

ABSTRACT

Neutrino Factories and Muon Colliders' cooling lattices require both high gradient rf and strong focusing solenoids. Experiments have shown that there may be serious problems operating rf in the required magnetic fields. The use of high pressure gas to avoid these problems is discussed, including possible loss problems from electron and ion production by the passage of an ionizing beam. It is also noted that high pressure gas cannot be used in later stages of cooling for a muon collider. Experimental observations using vacuum rf cavities in magnetic fields are discussed, current published models of breakdown with and without magnetic fields are summarized, and some of their predictions compared with observations. A new theory of magnetic field dependent breakdown is presented. It is proposed that electrons emitted by field emission on asperities on one side of a cavity are focused by the magnetic field to the other side where they melt the cavity surface in small spots. Metal is then electrostatically drawn from the molten spots, becomes vaporized and ionized by field emission from the remaining damage and cause breakdown. The theory is fitted to existing 805 MHz data and predictions are made for performance at 201 MHz. The model predicts breakdown gradients significantly below those specified for either the International Scoping Study (ISS) Neutrino Factory or a Muon Collider. Possible solutions to these problems are discussed, including designs for `magnetically insulated rf' in which the cavity walls are designed to be parallel to a chosen magnetic field contour line and consequently damage from field emission is suppressed. An experimental program to study these problems and their possible solution is outlined.

研究の動機と目的

• 強い軸方向磁場下における真空中のRFキャビティ内の破壊を理解し、モデル化すること。これは、ニュートリノファクトリーおよびミューオンコライダー設計に関連する。
• 特に201 MHzのような低周波数において、高磁場下で破壊勾配が低下する根本的原因を特定すること。
• イオン化ビームの放射線露出下でも、高圧ガス充填キャビティがRF動作に適しているかどうかを評価すること。
• 場 emitted を抑制し、関連する損傷を防ぐ磁場絶縁RFキャビティ設計を提唱し、検証すること。
• 201 MHz、特に3 Tの高磁場下でのモデル検証および解決策の実験プログラムを策定すること。

提案手法

• 表面の粗さを持つ一方のキャビティ面から発生する場 emitted 電子が、軸方向磁場によって集束され、反対側の表面に衝突することで局所的溶融が生じ、その後蒸発とイオン化が引き起こされるという、新しい理論的モデルを提唱する。
• RFおよび磁場下での粗さの破壊と再生の競合をモデル化し、周波数およびパルス長依存性を説明する。
• 既存の805 MHzの実験データ（Be窓を備えたオープンマルチセルおよびピルボックスキャビティの結果を含む）にモデルをフィットさせる。
• フィットしたモデルに基づき、201 MHzにおける破壊勾配を予測し、ニュートリノファクトリーおよびミューオンコライダーの運転要件レベルよりも顕著に低い値であることを示す。
• キャビティ壁を磁場線に沿わせることで、場 emitted を最小限に抑える磁場絶縁キャビティを設計する。
• 1つのフランジ真空ドームとアクセス可能な計測機器を備えた多目的試験スタンドを計画し、高磁場下でのRFキャビティ、コイル、部品の試験を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い軸方向磁場が作用する真空中のRFキャビティで、特に201 MHzのような低周波数においてRF破壊が発生する原因は何か？
• RQ2 当初の期待とは異なり、高圧ガス充填キャビティが磁場下でも破壊を抑制できないのはなぜか？
• RQ3 イオン化ミューオンビームの存在が、電子およびイオン生成を通じてガス充填RFキャビティの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 磁場絶縁RFキャビティは、高磁場下で場 emitted を抑制し、表面損傷を防げるか？
• RQ5 3 Tの磁場下で201 MHzにおける予測される破壊勾配はどの程度であり、ニュートリノファクトリーおよびミューオンコライダー系の運転要件レベルと比較してどうなるか？

主な発見

• 提案されたモデルは、Be窓を備えたピルボックスキャビティの異常な結果を含む、既存の805 MHzのデータを妥当に説明できる。
• モデルは、3 Tの磁場下で201 MHzにおける破壊勾配が、ニュートリノファクトリーおよびミューオンコライダーの位相回転および初期冷却に必要な12–15 MV/mよりも著しく低いことを予測する。
• 高圧ガス充填キャビティは、破壊に磁場依存性を示さないが、イオン化およびRF電場による電子加熱のためエネルギー損失が生じ、Qファクターが低下する。
• ISSニュートリノファクトリーおよび低エミッタンスミューオンコライダーでは、ガス充填キャビティ内のビーム誘起損失により、最終的なQはそれぞれ7.6および22に低下すると予測される。
• モデルは、磁場絶縁（キャビティ壁を磁場線に沿わせる）が場 emitted を抑制し、局所的溶融およびイオン化を防ぐ可能性があると示唆する。
• モデルの検証および解決策の試験のための実験プログラムを提案する。これには、3 Tの磁場下での201 MHzキャビティ試験および、10–15 Tのソレノイドを用いた将来的な6D冷却段階の部品試験が含まれる。