[논문 리뷰] Compensation of Transverse Field Asymmetry in the High-beta Quarter-wave Resonator of the HIE-ISOLDE Linac at CERN

M. A. Fraser, M. Pasini외 2명|ArXiv.org|2009. 09. 27.

Particle accelerators and beam dynamics참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 HIE-ISOLDE 초전도 라인액에서 고베타 1/4파장 공진기(QWR)의 횡방향 필드 비대칭을 줄이기 위해 기하학적 수정을 두 가지 제안한다. 이는 비균형 필드로 인한 빔 에미ittance 증가를 완화하기 위함이다. 레이서트랙 형태의 빔 포트와 재설계된 내부 도체는 필드 대칭성을 향상시키며, 특히 후자는 속도 범위 전반에서 0.03 mrad 미만의 비대칭을 달성하지만, 피크 전기장이 20% 증가하는 비용을 지ay한다.

ABSTRACT

The superconducting upgrade of the REX-ISOLDE radioactive ion beam (RIB) post-accelerator at CERN will utilise a compact lattice comprising quarter-wave resonators (QWRs) and solenoids, accelerating beams in the mass range 2.5 < A/q < 4.5 to over 10 MeV/u. The short and independently phased quarter-wave structures allow for the acceleration of RIBs over a variable velocity profile and provide an unrivalled longitudinal acceptance when coupled with solenoid focusing. The incorporation of the solenoids into the cryomodule shortens the linac, whilst maximising the acceptance, but the application of solenoid focusing in the presence of asymmetric QWR fields can have consequences for the beam quality. The rotation of an asymmetric beam produces an effective emittance growth in the laboratory reference system. We present modifications of the cavity geometry to optimise the symmetry of the transverse fields in the high-beta QWR. A racetrack shaped beam port is analysed and a modification made to the inner conductor with a geometry that will enable a niobium film to be effectively sputtered onto the cavity surface.

연구 동기 및 목표

• HIE-ISOLDE 초전도 라인액에서 빔 품질을 떨어뜨리는 고베타 1/4파장 공진기(QWR)의 횡방향 필드 비대칭 문제를 해결하기 위해.
• 비대칭 RF 필드가 빔 조종과 에미ittance 증가에 어떻게 기여하는지, 특히 솔레노이드 초점 빔에서 어떤 영향을 미치는지 분석하기 위해.
• A/q 수용 범위(2.5–4.5) 전역에서 필드 비대칭을 최소화하고 빔 다이내믹스를 향상시키기 위해 캐비티 기하학적 구조를 최적화하기 위해.
• 빔 포트 형상과 내부 도체 설계가 필드 대칭성과 피크 전기장에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 필드 대칭성 향상이 빔 가속 중 횡방향 에미ittance 증가에 실질적인 감소 효과를 가져오는지 확인하기 위해.

제안 방법

• MWS 코드를 사용한 RF 필드 수치 시뮬레이션을 통해 정규, 레이서트랙, 수정된 드리프트 튜브 캐비티 기하학적 형상에서의 필드 성분을 분석하였다.
• A/q 범위(2.5–4.5) 전역에서 빔 조종 케이크를 최소화하기 위해 최소 제곱 최적화 방법을 사용해 캐비티 오프셋을 최적화하였다.
• TRACK 코드를 사용한 다중 입자 빔 다이내믹스 시뮬레이션을 수행하였으며, 90° 위상 진행 조건으로 솔레노이드 초점을 모델링하여 에미ittance 증가를 억제하였다.
• 원형 개구, 레이서트랙 개구, 수정된 내부 도체를 갖는 세 가지 캐비티 변형에서 빔 에너지 변화와 에미ittance 변화를 비교하였다.
• 빔 축 상의 4극자 유사 필드 성분을 분석하여 비대칭 정도를 정량화하고 횡방향 에미ittance에 미치는 영향을 평가하였다.
• 니오븀 필름 스퍼터링 제조 고려사항을 포함하여 내부 도체 기하학적 형상을 수정하여 균일한 코팅을 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이서트랙 형태의 빔 포트는 원형 개구에 비해 고베타 QWR의 횡방향 필드 대칭성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 내부 도체를 재설계함으로써 축상 필드 비대칭은 어느 정도 감소하는가?
• RQ3 수정된 캐비티에서 향상된 필드 대칭성과 함께 증가한 피크 전기장 사이의 상충 관계는 어떠한가?
• RQ4 필드 비대칭은 솔레노이드 초점 라인액에서 빔 에미ittance 증가와 에너지 분포 분리에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 속도에 따라 변화하는 빔 조종력은 A/q 수용 범위 전역에서 빔 품질에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 레이서트랙 형태의 빔 포트는 3.7 MeV/u 이상(β = 0.09)에서 원형 개구에 비해 필드 비대칭을 감소시키며, 업그레이드된 HIE-ISOLDE 라인액의 최소 주입 에너지와 일치한다.
• 수정된 내부 도체 기하학적 형상은 전체 속도 범위(β = 0.078–0.186)에서 0.03 mrad 이내의 필드 대칭성을 달성하여 필드 균일성의 급격한 향상을 이룬다.
• 비록 대칭성이 향상되었지만, 도체 끝단의 곡률 반경이 감소함에 따라 수정된 캐비티는 피크 전기장이 20% 증가한다.
• 빔 다이내믹스 시뮬레이션 결과, 수정된 캐비티는 대칭적인 빔 에너지 분포를 유지하고 에미ittance 분리 현상을 최소화하며, 효과적인 에미ittance 증가를 몇 퍼센트 감소시킨다.
• 레이서트랙 개구는 빔 조종 보정에서는 원형 개구와 유사한 성능을 보였지만, 비대칭 유도 에미ittance 혼합 현상을 완전히 제거하지 못했다.
• 내부 도체를 재설계함으로써 빔 품질 향상은 미미한 편이었으며, 비록 필드 대칭성 향상 폭이 크지만 몇 퍼센트 수준의 성과에 머물렀다.