[論文レビュー] The CLIC Main Linac Accelerating Structure

I. H. Wilson, Walter Wuensch|ArXiv.org|Aug 17, 2000

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 4被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、CLICメインリニアック用のTapered Damped Structure（TDS）のRF設計を提示しており、個別に終端されたダンピング波導とアイリスのテーパー処理により、0.7 ns以内に横方向のウェークフィールドを100倍低減する。ASSET施設での実験的検証により、仕様を満たすウェークフィールド低減が確認されたが、420 MV/mの高い表面電界と250 °Cのパルス状加熱が、150 MV/m勾配での運転に対して依然として深刻な課題である。

ABSTRACT

This paper outlines the RF design of the CLIC (Compact Linear Collider) 30 GHz main linac accelerating structure and gives the resulting longitudinal and transverse mode properties. The critical requirement for multibunch operation, that transverse wakefields be suppressed by two orders of magnitude within 0.7 ns (twenty fundamental mode cycles), has been demonstrated in a recent ASSET experiment. The feasibility of operating the structure at an accelerating gradient of 150 MV/m for 130 ns has yet to be demonstrated. Damage of the internal copper surfaces due to high electric fields or resulting from metal fatigue induced by cyclic surface heating effects are a major concern requiring further study.

研究の動機と目的

• 150 MV/mの平均勾配を維持可能な加速構造の開発。
• マルチバンチ運転を可能にするために、0.7 ns以内に横方向ウェークフィールドを2桁低減すること。
• ダンピング波導とアイリステーパー処理を含む構造的設計により、短距離および長距離の横方向ウェークフィールドを最小限に抑えること。
• 最初のセルにおける高い表面電界とパルス状熱負荷に対処し、高勾配での構造的・材料的整合性を確保すること。

提案手法

• アイリス径を4.5 mmから3.5 mmへ線形にテーパー処理することで周波数デチューニングを誘発し、コherentウェークフィールド励起を抑制する150セルのTapered Damped Structure（TDS）を設計。
• 1セルあたり4本の個別に終端されたダンピング波導（33 GHzカットオフ）を実装し、最低次のドリルモードのQ < 20を達成することで横方向ウェークフィールドを低減。
• HFSSシミュレーションを用いて、構造全体にわたる基本モード周波数（29.985 GHz）、Q、R'/Q、群速度を最適化。
• 二重バンド回路モデルを用いて横方向ウェークフィールドをモデル化し、SLACでのASSET実験データと照合するため、スケーリングされた15 GHz構造を用いて結果を検証。
• 150 nsのRFパルス下での最初のセルにおけるピーク表面電界とパルス状温度上昇（250 °C）を計算し、熱的および電界的応力の評価。
• アイリスの厚さと幅の低減を含む幾何的最適化を提案し、表面電界と熱負荷を低減しながらダンピング効率を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CLICのマルチバンチ運転に必要な通り、TDS設計が0.7 ns以内に横方向ウェークフィールドを100倍低減できるか？
• RQ2 150 MV/mの平均加速勾配で運転した場合、TDSの最初のセルにおけるピーク表面電界はどの程度か？
• RQ3 最初のセルにおけるパルス状表面加熱（最大250 °C）が、構造的整合性や材料疲労を脅かす程度はどの程度か？
• RQ4 アイリスおよびダンピング波導結合部の幾何的変更により、表面電界と熱負荷を低減できるが、ウェークフィールド低減効果や加速勾配に悪影響を及げないか？
• RQ5 表面電界を低減するためにアイリスサイズを小さくするのと、デチューニング効率の低下による横方向ウェークフィールド増幅のトレードオフはどのようなものか？

主な発見

• ASSET施設でスケーリングされた15 GHz構造を用いて実験的に確認された結果、0.7 ns以内に横方向ウェークフィールドを100倍低減でき、設計の実現可能性が裏付けられた。
• 150 MV/mの平均加速勾配下で、最初のセルにおけるピーク表面電界は420 MV/mに達し、高勾配運転において主要な課題となっている。
• 150 nsのRFパルス中、最初のセルにおける表面温度上昇は約250 °Cに達し、許容限度を超えており、材料疲労の懸念が生じている。
• TDSは基本モードQが約3600に達しており、設計通りに構造全体にわたりR'/Qおよび群速度が予測可能に変化している。
• 炭化ケイ素ベースのダンピング波導負荷を用いることで、30 GHz帯域で反射係数|S11| < -20 dBの広帯域ウェークフィールド低減が有効に達成された。
• 特にアイリスの厚さと幅の低減を含む幾何的最適化により、表面電界と熱負荷を低減しながら、効果的なダンピングと基本モード性能を維持できる。