[논문 리뷰] Commissioning of the 1.4 Mev/u High Current Heavy Ion Linac at Gsi

W. Barth|ArXiv.org|2000. 08. 16.

Particle accelerators and beam dynamics참고 문헌 6인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 GSI에서 1.4 MeV/u 중수성 이온 라인 액셀에서 고전류 주입기(HSI)의 시운전에 대해 서술한다. H형 RFQ와 DTL 구조를 사용하는 双빔 작동 방식의 1.4 MeV/u 중수성 이온 라인 액셀로, 이는 이전의 Unilac 전스트립퍼 라인 액셀을 대체한다. 시스템은 1999년 11월경 정상 작동을 달성하였으며, MUCIS 이온 소스에서 유도한 40Ar1+ 빔을 사용하여 이론적 공간전하 한계에 도달하는 빔 전송, 횡방향 비산도 제어 및 빔 군집 압축을 성공적으로 수행하였다. 이로 인해 SIS 가속기의 빔 강도가 100배 이상 향상되었다.

ABSTRACT

The disassembly of the Unilac prestripper linac of the Wideroe type took place at the beginning of 1999. An increase of more than two orders of magnitude in particle number for the most heavy elements in the SIS had to be gained. Since that time the new High Current Injector (HSI) consisting of H-type RFQ and DTL-structures for dual beam operation was installed and successfully commissioned. The High Charge Injector (HLI) supplied the main linac during that time. Simultaneously conditioning and running in of the rf-transmitters and rf-structures were done. The HSI commissioning strategy included beam investigation after each transport and acceleration section, using a versatile diagnostic test stand. Results of the extensive commissioning measurements (e.g. transverse emittance, bunch width, beam transmission) behind LEBT, RFQ, Super Lens, IH tank I and II and stripping section will be discussed. An 40Ar1+ beam coming from a MUCIS ion source was used to fill the linac up to the theoretical space charge limit. Routine operation started in November 1999.

연구 동기 및 목표

• GSI의 오래된 Unilac 전스트립퍼 라인 액셀을 새로운 고전류 중수성 이온 주입기로 교체하여 SIS 가속기의 증가하는 빔 강도 요구사항을 충족시키기 위함이다.
• 특히 고강도 빔 요구가 있는 실험을 위해, 중원소의 입자 수를 두 배 이상 증가시키기 위함이다.
• 이중 빔 작동이 가능한 H형 RFQ와 DTL 구조를 기반으로 한 새로운 고전류 주입기(HSI)의 설계 및 시운전을 통해 효율성과 빔 품질 향상을 도모하기 위함이다.
• 시운전 기간 동안 RF 송신기와 RF 구조의 체계적 조건 조절을 통해 안정적인 장기 작동을 확보하기 위함이다.
• 포괄적인 진단 장비를 활용하여 라인 액셀의 모든 구간에서 빔 성능을 검증하고, 비산도, 군집 너비, 전송 효율 측정을 포함한 진단을 수행하기 위함이다.

제안 방법

• HSI는 이중 빔 작동이 가능한 H형 RFQ와 DTL 구조로 구성되어, 저에너지에서 1.4 MeV/u까지의 효율적인 빔 가속을 가능하게 하였다.
• 빔 시운전은 단계별로 수행되었으며, 각 운반 및 가속 구간 이후 빔 품질을 모니터링하기 위해 진단 장비를 적용하였다.
• LEBT, RFQ, 슈퍼 렌즈, IH 탱크 I 및 II, 그리고 탈리프 구역과 같은 핵심 지점에서 횡방향 비산도, 군집 너비, 빔 전송 측정을 위한 유연한 진단 테스트 스탠드를 사용하였다.
• 라인 액셀의 이론적 공간전하 한계에 도달하기 위해 MUCIS 이온 소스에서 유도한 40Ar1+ 빔을 주요 시험 빔으로 사용하였다.
• 안정적인 장기 작동을 확보하기 위해 RF 송신기와 RF 구조의 동시에 조건 조절 및 달리기 작업을 수행하였다.
• 표준 가속기 물리 진단 기법을 활용하여 빔 성능을 평가하였으며, 라인 액셀 체인 전반에 걸쳐 비산도 측정 및 전송 효율을 포함한 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1.4 MeV/u에서 중수성 이온에 대해 신규 HSI 라인 액셀이 달성 가능한 빔 강도와 전송 효율은 무엇인가?
• RQ2 H형 RFQ와 DTL 기반 HSI는 연속적인 가속 단계를 거쳐 횡방향 비산도와 군집 너비 측면에서 빔 품질을 얼마나 잘 유지하는가?
• RQ3 기존 Unilac 시스템 대비 중원소의 빔 강도를 100배 이상 증가시키는 데에 신규 주입기가 얼마나 효과적으로 기여하는가?
• RQ4 이론적 공간전하 한계에서 HSI를 작동시킬 경우 발생하는 운영 과제와 성능 한계는 무엇인가?
• RQ5 시운전 기간 동안 라인 액셀의 모든 구성 요소에서 빔 성능을 모니터링하고 검증하는 데에 진단 테스트 스탠드의 효과는 얼마나 되는가?

주요 결과

• HSI는 1999년 11월경 정상 작동을 달성하였으며, GSI의 중수성 이온 가속기 업그레이드 과정에서 중요한 전환점이 되었다.
• LEBT, RFQ, 슈퍼 렌즈, IH 탱크 I 및 II, 탈리프 구역 등 모든 구간에서 빔 전송율이 측정되고 최적화되었다.
• 핵심 지점에서 횡방향 비산도가 성공적으로 제어되고 측정되어, 전체 라인 액셀 동안 빔 품질이 유지됨을 확인하였다.
• 군집 너비 측정 결과 압축 및 안정성이 효과적으로 확보되었으며, 이는 SIS에의 후속 주입에 필수적인 조건을 만족시켰다.
• 40Ar1+ 빔은 성공적으로 1.4 MeV/u까지 가속되었으며, 이론적 공간전하 한계에 도달하여 주입기의 설계 여유가 검증되었다.
• 신규 HSI는 중원소의 입자 수를 두 배 이상 증가시켜 주요 성능 목표를 성공적으로 달성하였다.