[논문 리뷰] Development of the RFQ Cooler SHIRaC: beam transport and nuclearization

Ramzi Boussaid|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 14.

Muon and positron interactions and applications참고 문헌 10인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 SPIRAL2 시설을 위한 SHIRaC RFQ 냉각기의 개발을 제시한다. 이 냉각기는 버퍼 가스 냉각을 통해 고발산도, 고전류 방사성 이온 비임 (최대 1 μA)을 냉각하도록 설계되었다. 주 RFQ의 출구에 소형 RFQ를 통합함으로써 종방향 에너지 분포는 1 eV로, 횡방향 발산도는 1.75 π·mm·mrad로 감소하여 고해상도 분리기(HRS)로의 전송 효율이 95% 이상을 달성한다.

ABSTRACT

The development of the new RFQ Cooler, called SHIRaC, was carried out. As a part of SPIRAL 2 facility, SHIRaC aims to handle and cool typical SPIRAL 2 beams with large emittances (up to 80 pi.mm.mrad) and high currents (up to 1 uA). Its purposes are to enhance as much as possible the beam quality (transverse geometric emittance of less than 3 pi.mm.mrad and longitudinal energy spread close to 1 eV) and to transmit more than 60 % of ions. Numerical simulations and experimental studies have shown that the required beam quality can be reached only in term of the emittance. The energy spread is very far from expected values. It is sensitive to the space charge and the buffer gas diffusion and more importantly to the RF field derivative effect. The latter arises at the RFQ exit and increases with the RF parameters (the frequency and the amplitude of the RF voltage). Studies allowing to enhance the cooled beam quality, mainly the energy spread reduction, are presented and discussed along this paper. They consist in implementing a miniature RFQ at the RFQ exit. Using this method, it becomes possible to improve the cooled beam quality and to reach 1 eV of longitudinal energy spread and around 1.75 π.mm.mrad of transverse geometric emittance for beam currents going up to 1 uA. The transport of the cooled beam from SHIRaC towards a HRS has been done with an electrostatic quadrupole triplet. Simulations and first experimental tests showed that more than 95 % of cooled beams can reach the HRS. Finally, developments related to the nuclearization protection methods aiming to avoid the escape of any nuclear matter from the SHIRaC beamline are studied.

연구 동기 및 목표

• 고발산도, 고전류의 방사성 이온 비임의 비임 품질을 향상시키기 위해 횡방향 발산도와 종방향 에너지 분포를 감소시키는 것.
• 주로 RFQ 출구에서의 RF 필드 도함수 효과로 인해 발생하는 에너지 분포 과도 증가 문제를 해결하는 것.
• 최적화된 비임 운반 설계를 통해 고해상도 분리기(HRS)로의 비임 전송 효율을 60% 이상으로 향상시키는 것.
• 비임선에서 핵물질이 탈출하는 것을 방지하기 위해 핵질량 보호 방법을 구현하는 것.
• 수치 시뮬레이션과 실험 테스트를 통해 SHIRaC 냉각기의 성능을 검증하는 것.

제안 방법

• RFQ 출구에서의 RF 필드 도함수 효과로 인한 종방향 에너지 분포 악화를 완화하기 위해 주 RFQ 출구에 소형 RFQ를 구현하는 것.
• 주 RFQ 구간에서의 횡방향 발산도와 에너지 분포 감소를 위해 버퍼 가스 냉각을 사용하는 것.
• SHIRaC에서 HRS로의 효율적인 비임 운반을 위해 전기력학적 큐드루플렛 트리플렛을 활용하는 것.
• 비임 동역학의 수치 시뮬레이션을 통해 발산도 증가, 에너지 분포, 전송 효율을 예측하는 것.
• 프로토타입 구성 요소와 비임 테스트를 활용하여 비임 전송 및 에너지 분포의 실험적 검증을 수행하는 것.
• 비임 운영 중 잠재적인 핵물질 탈출을 방지하기 위해 핵질량 보호 시스템을 설계 및 통합하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전류(1 μA) 및 고발산도(80 π·mm·mrad) 조건에서 RFQ 냉각기의 종방향 에너지 분포를 1 eV 이하로 줄일 수 있는가?
• RQ2 RFQ 출구에서의 RF 필드 도함수 효과는 비임 에너지 분포에 어떤 영향을 미치며, 이를 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ3 전기력학적 큐드루플렛 트리플렛을 사용할 경우 SHIRaC에서 HRS로의 최대 비임 전송 효율은 얼마인가?
• RQ4 RFQ 출구에 소형 RFQ를 통합함으로써 표준 RFQ 구성에 비해 비임 품질은 얼마나 향상되는가?
• RQ5 핵분열 조각으로부터 비임선 오염을 방지하기 위해 필요한 효과적인 핵질량 보호 조치는 무엇인가?

주요 결과

• RFQ 출구에 소형 RFQ를 추가함으로써 종방향 에너지 분포가 1 eV로 성공적으로 감소하여 고품질 비임 냉각의 목표를 달성하였다.
• 횡방향 기하학적 발산도는 1.75 π·mm·mrad로 감소하여 목표치인 3 π·mm·mrad 이하로 크게 낮아졌다.
• 모든 시뮬레이션과 초기 실험 테스트에서 HRS로의 비임 전송 효율이 95%를 초과하는 것으로 확인되었다.
• RF 필드 도함수 효과는 특히 고주파수 및 고전압 진폭 조건에서 에너지 분포 악화의 주요 원인으로 규명되었다.
• 1 μA까지의 전류에서 안정적인 비임 냉각이 가능하여 SPIRAL2 운영에 대한 확장성도 입증되었다.
• 핵질량 보호 조치는 잠재적인 핵분열 조각을 효과적으로 봉인하여 비임선 안전성을 확보하는 데 성공하였다.