[논문 리뷰] Design of the Ess RFQs and Chopping Line

R. Duperrier, R. Ferdinand외 6명|ArXiv.org|2000. 08. 18.

Particle accelerators and beam dynamics참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 ESS RFQ 및 차단선에 최적화된 설계를 제시하여, 첫 번째 RFQ에서 95 keV에서 2 MeV 사이에 99.7%의 투과율을 달성하고 두 번째 RFQ에서는 2에서 5 MeV 사이에서 거의 100%의 투과율을 확보하며, 2개의 빔 뱅크 간의 차단 시간이 2 ns 이내로 정밀하게 이루어지도록 하였다. 시스템은 분할형 RFQ, 이중 차단기가 내장된 2.1 m 길이의 MEBT, 그리고 밀리미터파 선형 차단기 프로토타입을 사용하여 100 mA H⁻ 전류에서 빔 품질을 유지하면서 임피던스 성장 최소화를 달성하였다.

ABSTRACT

The chopping line is a critical part of the ESS linac in term of technical realisation of the choppers and preservation of the beam qualities. A new optimised design of the ESS RFQs and chopping lines is reported. The beam dynamics has been optimised with H- beam currents up to 100-mA to have safety margin with respect to the ESS goals. The first RFQ transmits almost 99.7% of the beam up to 2 MeV. The line with two choppers allows a perfect chopping between 2 bunches. The second RFQ accelerates the particles up to 5 MeV with a transmission close to 100%.

연구 동기 및 목표

• 50 Hz에서 정밀한 빔 펄싱을 가능하게 하기 위해 ESS 라인액에서 고효율, 고품질 빔 차단 시스템을 설계하기 위해.
• RFQ 및 MEBT를 통해 100 mA H⁻ 빔 전류를 확보하면서 최소한의 임피던스 성장을 이루기 위해.
• 2개의 빔 뱅크 간의 빔 분리에 적합한 2 ns 이내의 상승/하강 시간을 갖는 신속하고 신뢰할 수 있는 차단기 시스템을 개발하기 위해.
• ESS 기준 목표를 초월하는 빔 전류 및 임피던스 성장에 대한 안정성 여유를 확보하여 견고한 운영을 보장하기 위해.
• 다입자 빔 동역학 시뮬레이션 및 3차원 전자기 모델링을 통해 설계를 검증하기 위해.

제안 방법

• 95 keV에서 5 MeV까지의 가속을 위해 PARMTEQM 및 TOUTATIS 빔 동역학 코드를 사용하여 RFQ1 및 RFQ2를 최적화하였다.
• 임피던스 성장을 최소화하고 캡처 효율을 향상시키기 위해 변조된 빔 전압과 전이 세포를 갖춘 분할형 RFQ를 설계하였다.
• 임피던스 성장을 최소화하기 위해 10개의 큐브렛, 3개의 번처, 그리고 큐브렛 내부에 위치한 이중 차단기를 갖춘 2.1 m 길이의 MEBT를 구현하였다.
• 50 옹의 특성 임피던스를 확보하고 2 ns 이내의 스위칭을 달성하기 위해 절단된 선형과 둥근 끝을 가진 밀리미터파 선형 차단기 구조를 활용하였다.
• MAFIA 및 Pspice를 사용하여 전자기장, 신호 전파 및 펄스 무결성에 대한 2D 및 3D 시뮬레이션을 수행하였다.
• Rogers RT 6002 라미네이트에 기반한 388 mm 길이의 차단기 프로토타입을 제작하고, 조절 가능한 간격과 50 옹의 특성 임피던스를 갖추었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 352 MHz RFQ 설계가 95 keV에서 2 MeV 사이에서 100 mA H⁻ 빔에 대해 최소한의 임피던스 성장을 동반하면서 99.7%의 투과율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 어떤 차단기 설계가 50 옹의 임피던스를 유지하면서도 2 ns 이내의 상승/하강 시간을 확보하고 빔 왜곡을 최소화할 수 있는가?
• RQ3 고전류 빔 조건 하에서 이중 차단기 및 번처를 갖춘 MEBT에서 임피던스 성장을 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ4 밀리미터파 선형 차단기 프로토타입이 50 Hz 작동 조건에서 요구되는 950 V 펄서 전압과 84%의 전계 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ5 비차단 빔의 97.2%를 전송하면서 차단 빔의 0.01%만 억제할 수 있는 최적의 MEBT 구성은 무엇인가?

주요 결과

• 첫 번째 RFQ는 95 keV에서 2 MeV 사이에서 100 mA H⁻ 빔을 대상으로 99.7%의 투과율을 달성하였고, 임피던스 성장은 오직 0.01 π.mm.mrad에 그쳤다.
• 두 번째 RFQ는 2 MeV에서 5 MeV 사이에서 99.97%의 투과율을 확보하였으며, Y 평면에서의 임피던스 성장은 오직 0.01 π.mm.mrad에 불과했다.
• MEBT는 비차단 빔의 97.2%를 전송하였고, 차단 빔의 전송률은 0.01% 미만이었으며, 100 mA 조건에서 X 방향에선 +11%, Y 방향에선 +13%의 임피던스 성장을 보였다.
• 차단기 프로토타입은 50 옹의 특성 임피던스, 150 mm/ns의 위상 속도를 확보하였으며, 950 V 펄서 전압으로 2 ns 이내의 상승/하강 시간을 달성하도록 설계되었다.
• 3D MAFIA 시뮬레이션은 전자기 설계가 5% 이내의 오차 범위 내에서 정확함을 확인하였으며, 차단기 성능이 검증되었다.
• Pspice 시뮬레이션은 단일 50 cm 길이의 차단기 라인이 360 ns의 오프, 240 ns의 온, 50 Hz의 듀티 사이클을 확보할 수 있었으며, 듀티 요소는 5–65% 범위였다.