[논문 리뷰] Experimental Study of Beam Dynamics In The PIP-II MEBT Prototype

A. Shemyakin, J.-P. Carneiro외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 24.

Particle accelerators and beam dynamics참고 문헌 6인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 페르미랩의 PIP-II 중에너지비트랜스포트(MEBT) 프로토타입에서 실험적인 비틀림 역학 측정을 수행하며, 차등 경로 스캔, 스크래퍼 기반 군집 재구성, 그리고 빠른 패러데이 컵을 사용하여 횡방향 광학 및 군집 길이를 특성화한다. 1–10 mA 비트 전류 범위에서 안정적인 비트 전송이 이루어지고, 에미ittance 성장이 적고 군집 길이 제어가 정밀함을 확인하여, PIP-II SRF 라인의 전단부에 대한 MEBT 설계의 타당성을 입증한다.

ABSTRACT

The Proton Improvement Plan, Stage Two (PIP-II) is a program of upgrades proposed for the Fermilab injection complex, which central part is an 800 MeV, 2 mA CW SRF linac. A prototype of the PIP-II linac front end called PIP-II Injector Test (PIP2IT) is being built at Fermilab. As of now, a 15 mA DC, 30-keV H- ion source, a 2 m-long Low Energy Beam Transport (LEBT), a 2.1 MeV CW RFQ, followed by a 10 m Medium Energy Beam Transport (MEBT) have been assembled and commissioned. The MEBT bunch-by-bunch chopping system and the requirement of a low uncontrolled beam loss put stringent limitations on the beam envelope and its variation. Measurements of transverse and longitudinal beam dynamics in the MEBT were performed in the range of 1-10 mA of the RFQ beam current. Almost all measurements are made with 10 μs beam pulses in order to avoid damage to the beam line. This report presents measurements of the transverse optics with differential trajectories, reconstruction of the beam envelope with scrapers and an Allison emittance scanner, as well as bunch length measurements with a Fast Faraday Cup.

연구 동기 및 목표

• 페르미랩의 SRF 라인 업그레이드를 위한 PIP-II MEBT 프로토타입의 운영 전류 범위(1–10 mA)에서 비틀림 역학 성능을 검증하기 위해.
• 군집 단위로 잘라내는 시스템으로 인한 비제어적 비트 손실을 최소화하고 비트 군집 안정성을 확보하기 위해.
• 차등 경로 및 스크래퍼 기반 방법을 사용하여 횡방향 광학 및 비트 에미ittance를 측정하기 위해.
• 빠른 패러데이 컵을 사용하여 종방향 비트 매개변수, 특히 군집 길이를 특성화하기 위해.
• 전체 PIP-II 인젝터 복합체의 설계 및 시운전을 지원하기 위해 프로토타입에서 신뢰할 수 있는 비트 전송을 입증하기 위해.

제안 방법

• 비트라인 손상을 방지하기 위해 10 µs 비트 펄스를 사용하여 비트 측정을 수행하였다.
• MEBT 구간의 횡방향 광학 및 튜닝 매개변수를 측정하기 위해 차등 경로 스캔을 활용하였다.
• 비트 스크래퍼와 校정된 Allison 에미ittance 스캐너를 사용하여 비트 군집을 재구성하고 에미ittance를 측정하였다.
• 고시간 해상도로 군집 길이를 측정하기 위해 빠른 패러데이 컵을 적용하였다.
• 선형성과 안정성을 평가하기 위해 1–10 mA의 다양한 비트 전류 범위에서 측정을 수행하였다.
• 전체 인젝터 조건을 시뮬레이션하기 위해 PIP2IT 테스트 스탠드를 활용하였으며, 이에는 30-keV H⁻ 소스, LEBT, RFQ 및 10 m 길이의 MEBT 구간이 포함되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MEBT 프로토타입에서 1–10 mA 비트 전류 범위에서 횡방향 비트 광학 및 군집 매개변수는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 고전류 작동 조건에서 MEBT를 통과하는 동안 비트 에미ittance는 어느 정도 성장하는가?
• RQ3 MEBT에서 측정된 군집 길이는 얼마이며, 설계 기대치와 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ4 스크래퍼 및 차등 경로 방법을 사용하여 비트 군집 및 광학을 재구성하는 데 얼마나 정확한가?
• RQ5 군집 단위로 잘라내는 제약 조건 하에서 MEBT는 비트 안정성과 낮은 손실을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 차등 경로 스캔을 통해 횡방향 비트 광학이 성공적으로 측정되었으며, 튜닝 및 분산 함수의 정확한 재구성이 가능했다.
• 스크래퍼와 Allison 에미ittance 스캐너를 사용한 비트 군집 재구성 결과, 1–10 mA 전류 범위 전역에서 낮은 에미ittance 성장이 확인되었다.
• 빠른 패러데이 컵을 통한 군집 길이 측정 결과가 일관되고 안정적인 값을 보여, 종방향 비트 제어의 타당성이 입증되었다.
• MEBT는 최소한의 비트 손실을 동반한 안정적인 비트 전송을 보였으며, PIP-II SRF 라인의 엄격한 요구사항을 충족하였다.
• 실험 결과는 MEBT의 설계 무결성을 확인하였으며, 전체 PIP-II 인젝터 복합체에 통합될 준비가 되어 있음을 뒷받침하였다.
• 진단 도구의 조합은 시운전 및 운영 조정에 필수적인 고정밀도 비트 특성화를 제공하였다.