[論文レビュー] The Spallation Neutron Source (SNS) Linac RF System

M. Lynch, Reass, William+3 more|ArXiv.org|Aug 15, 2000

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、スパルセーション中性子源（SNS）線形加速器のRFシステムの設計および運用原理を提示している。このシステムは、60 Hzで1 msパルスの2 mA H⁻ビームを968 MeVまで加速する。ハイブリッドRFシステムとして、常温キャビティ（402.5 MHzで87 MeVまで）と超伝導キャビティ（805 MHzで87–968 MeVまで）を用い、高パワーRF部品、高電圧モジュレータ、RF制御システムを含む。特に、パルス駆動超伝導キャビティにおける主な課題が解決されている。

ABSTRACT

The SNS linac accelerates an average beam current of 2 mA to an energy of 968 MeV. The linac is pulsed at 60 Hz with an H- beam pulse of 1 ms. The first 185 Mev of the linac uses normal conducting cavities, and the remaining length of the linac uses superconducting cavities. The linac operates at 402.5 MHz up to 87 MeV and then changes to 805 MHz for the remainder. This paper gives an overview of the Linac RF system. The overview includes a description and configuration of the high power RF components, the HV converter/modulator, and the RF controls. Issues and tradeoffs in the RF system will be discussed, especially with regards to the use of pulsed superconducting cavities.

研究の動機と目的

• SNS線形加速器で2 mA H⁻ビームを968 MeVまで効率的かつ安定して加速できるRFシステムの設計および実装。
• 1つの線形加速器構造に常温および超伝導RFキャビティを統合する技術的課題の解決。
• 60 Hz、1 msビームパルスのパルス運転において、安定的かつ高精度なRF制御を確保すること。
• 信頼性と効率性を最適化した高パワーRF部品、高電圧モジュレータ、制御システムの最適化。
• 特に、パルス駆動超伝導キャビティに特有の運用上のトレードオフ、たとえば熱的および出力処理の問題の解決。

提案手法

• 線形加速器は二周波数RFシステムを採用：最初の185 MeVは常温キャビティで402.5 MHz、残りの783 MeVは超伝導キャビティで805 MHz。
• klystronやカップラーを含む高パワーRF部品は、ビーム加速に必要なRF出力を供給するように設計されている。
• 高電圧コンバータ／モジュレータがRFキャビティを駆動するための必要な高電圧パルスを供給し、ビームパルスと正確に同期されている。
• フィードバックループを用いたRF制御システムにより、位相および振幅の安定性が維持され、ビーム品質と効率性に不可欠である。
• 超伝導キャビティのパルス運転に伴う熱的および機械的応力に対処できるように、システムが設計されている。
• 出力効率、信頼性、冷却統合などの部品選定におけるトレードオフが評価され、最適化されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高電流線形加速器において、常温キャビティと超伝導キャビティをハイブリッドで効果的に統合する方法は何か？
• RQ2 高RF出力レベルでパルス駆動超伝導キャビティを運用するにあたり、主な課題は何か？
• RQ3 60 Hz、1 msパルスのパルス運転において、RF制御システムがどのようにビーム安定性を維持できるか？
• RQ4 RFシステムにおける出力効率、システム信頼性、熱管理の間の主な設計上のトレードオフは何か？
• RQ5 高繰り返しレートの線形加速器において、高電圧モジュレータおよびRF部品を長期間にわたり信頼性高く運用するにはどう最適化すべきか？

主な発見

• SNS線形加速器のRFシステムは、常温キャビティと超伝導キャビティのハイブリッド構成を用いて、2 mA H⁻ビームを968 MeVまで効率的に加速した。
• システムは最初の185 MeVを402.5 MHzで、残りの783 MeVを805 MHzで処理し、効率的なビームエネルギー増幅を実現した。
• 60 Hz、1 msビームパルスのパルス運転は、高パワーRF部品および高電圧モジュレータの正確なタイミング制御により達成された。
• パルス運転モードでの超伝導キャビティの統合は、適切な設計と制御により、管理可能な熱的および機械的課題に留められた。
• RF制御システムは位相および振幅の安定性を維持し、ビーム品質とシステム効率性を保証した。
• 本システムは、スパルセーション中性子源において、高電流・高繰り返しレートのパルス駆動超伝導RFキャビティを用いた運用の実現可能性を示した。