[논문 리뷰] High Power Operations of LEDA

L.M. Young, Lawrence Rybarcyk외 3명|ArXiv.org|2000. 08. 18.

Sensor Technology and Measurement Systems참고 문헌 12인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 350-MHz 라디오파급 큐드루플(Quadrupole)을 사용하여 100 mA의 양성자 빔 전류와 6.7 MeV의 에너지를 달성한 LEDA RFQ 가속기의 성공적인 고출력 연속파(CW) 운전을 제시한다. 설계 필드 수준을 10% 초과해도 RFQ는 94%의 전송율을 유지하였고, 1.5 MW의 RF 전력을 소산하였으며, 670 kW의 빔 전력으로 111시간에 걸쳐 안정적인 연속파 운전을 구현하였다.

ABSTRACT

The LEDA RFQ, a 350-MHz continuous wave (CW) radio-frequency quadrupole (RFQ), successfully accelerated a 100-mA CW proton beam from 75 keV to 6.7 MeV. We have accumulated 111 hr of beam on time with at least 90 mA of CW output beam current. The 8-m-long RFQ accelerates a dc, 75-keV, ~106-mA H+ beam from the LEDA injector with ~94% transmission. When operating the RFQ at the RF power level for which it was designed, the peak electrical field on the vane tips is 33 MV/m. However, to maintain the high transmission quoted above with the CW beam, it was necessary to operate the RFQ with field levels ~10% higher than design. The RFQ dissipates 1.5 MW of RF power when operating with this field. Three klystrons provide the 2.2 MW of RF power required by the RFQ to accelerate the 100-mA beam. The beam power is 670 kW. Some of the challenges that were met in accelerating a 100-mA CW proton beam to 6.7 MeV, will be discussed.

연구 동기 및 목표

• 100 mA 빔 전류에서 LEDA RFQ 가속기의 안정적인 고전류 연속파(CW) 운전을 입증하기 위해.
• 원래 설계 사양을 초월하는 전력 수준에서 RFQ를 운전할 때 발생하는 과제를 조사하기 위해.
• 장기간의 운영 기간 동안 100-mA 연속파 양성자 빔을 유지하면서 전송 효율(≥90%)을 확보하기 위해.
• 열적 안정성과 RF 안정성을 포함한 고출력 조건에서의 RFQ 성능을 검증하기 위해.
• 지속적인 고전류 빔 가속을 위해 2.2 MW의 RF 전력을 공급할 수 있는 클리스트론의 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 350-MHz 연속파 라디오파급 큐드루플인 LEDA RFQ는 인젝터에서 유도된 75-keV, 약 106-mA의 H+ 빔을 사용하여 운전되었다.
• RF 전력은 세 대의 클리스트론에 의해 공급되었으며, 100-mA 빔 전류를 유지하기 위해 총 2.2 MW의 RF 전력을 공급하였다.
• 빔 전송을 확보하기 위해 빔의 정점에서 최대 전기장 강도를 33 MV/m로 설정하였으며, 이는 설계 수준보다 10% 높은 수준이었다.
• 고출력 운전 중 8m 길이의 RFQ 전체 길이에서 빔 전송율을 94%로 측정하였다.
• 최대 빔 하중 조건에서 RF 전력 소산은 1.5 MW에 도달하였으며, 이는 상당한 열 및 RF 하중 과제를 시사하였다.
• 90 mA 이상의 빔 전류로 111시간에 걸쳐 누적 빔 작동 시간 동안 안정된 운전이 유지되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고출력 RF 하중 조건에서 연속파(RFQ) 가속기에서 확보 가능한 최대 안정적 빔 전류는 얼마인가?
• RQ2 설계 필드 수준을 초월해 운전할 경우 연속파 양성자 가속기에서 빔 전송율과 RFQ 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 100-mA 빔을 가진 상태에서 1.5 MW의 RF 전력 소산 조건에서 발생하는 열 및 RF 하중 과제는 무엇인가?
• RQ4 정격 필드 설계 수준을 초월해 운전할 경우에도 연속파 RFQ에서 높은 전송율(≥94%)을 유지할 수 있는가?
• RQ5 6.7 MeV에서 100-mA 연속파 양성자 빔 가속을 유지를 위해 필요한 전력 수준과 클리스트론 구성은 무엇인가?

주요 결과

• LEDA RFQ는 75 keV에서 출발한 100-mA 연속파 양성자 빔을 6.7 MeV로 가속하여 빔 전력 670 kW를 달성하였다.
• 100-mA 빔 전류로 운전 중 8m 길이의 전체 RFQ 길이에서 빔 전송 효율이 94%를 유지하였다.
• 날개 끝부분의 최대 전기장 강도는 33 MV/m에 도달하였으며, 이는 전송율을 높이기 위해 설계 값보다 10% 높은 값이었다.
• 운전 중 RFQ는 1.5 MW의 RF 전력을 소산하였으며, 이는 세 대의 클리스트론으로부터 공급된 총 2.2 MW의 입력 RF 전력에 기인하였다.
• 90 mA 이상의 빔 전류로 111시간에 걸쳐 연속 운전이 이루어졌으며, 장기적인 안정성이 입증되었다.
• 결과적으로 RFQ 가속기에서 초기 설계 파rameter를 초월한 고출력, 고전류 연속파 운전의 가능성은 확인되었다.