[논문 리뷰] Project PROMETHEUS: Design and Construction of a Radio Frequency Quadrupole at TAEK

G. Türemen, B. Yasatekin외 12명|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 02.

Particle accelerators and beam dynamics참고 문헌 4인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 터키의 TAEK SANAEM 시설에서 352.21 MHz 라디오파 전파 주파수의 4바이브 레이저 주입기(RFQ)의 설계 및 제작을 다루며, 2미터 이내에서 1 mA의 H⁺ 비임을 20 keV에서 1.5 MeV으로 가속화하는 것을 목표로 한다. 자체 개발한 RFQ 설계 코드(Demirci)와 시뮬레이션 도구를 사용하여, 99%의 비임 전송율과 1.5 MeV의 에너지 증가를 달성하였으며, 저전력 RF 및 진공 테스트를 위한 냉각 알루미늄 프로토타입이 제작 중이다.

ABSTRACT

The PROMETHEUS Project is ongoing for the design and development of a 4-vane radio frequency quadrupole (RFQ) together with its H+ ion source, a low energy beam transport (LEBT) line and diagnostics section. The main goal of the project is to achieve the acceleration of the low energy ions up to 1.5 MeV by an RFQ (352 MHz) shorter than 2 meter. A plasma ion source is being developed to produce a 20 keV, 1 mA H+ beam. Simulation results for ion source, transmission and beam dynamics are presented together with analytical studies performed with newly developed RFQ design code DEMIRCI. Simulation results shows that a beam transmission 99% could be achieved at 1.7 m downstream reaching an energy of 1.5 MeV. As the first phase an Aluminum RFQ prototype, the so-called cold model, will be built for low power RF characterization. In this contribution the status of the project, design considerations, simulation results, the various diagnostics techniques and RFQ manufacturing issues are discussed.

연구 동기 및 목표

• 터키의 SANAEM에서 4바이브 RFQ를 사용하여 1.5 MeV 프로톤 비임선을 구축하여 향후 연구 및 의료 분야의 응용 가능성을 확보한다.
• 정규화된 에미턴스 <1.5 π·mm·mrad를 만족하는 1 mA, 20 keV H⁺ 이온 소스를 설계 및 제작하여 RFQ의 입력 조건을 충족시킨다.
• 비임 전송율을 최소 99%로 유지하면서 비임 품질을 유지하고 공간 전하 효과를 최소화한다.
• 터키 내에서 RF 전원 공급장치, 진단 장치 및 비임선 구성 요소를 포함한 완전한 국산 가속기 시스템을 구축하여 국가적 전문성과 산업 역량을 구축한다.
• 현지 제조 및 RF 공학 능력을 입증하기 위해 저전력 RF 및 진공 특성 분석을 위한 냉각 알루미늄 프로토타입을 제작한다.

제안 방법

• 내부 개발한 RFQ 설계 코드인 Demirci를 사용하여 비임 동역학을 모델링하고 RFQ 기하 구조를 최적화하였으며, LIDOS와의 교차 검증을 실시하였다.
• IBSimu와 SimIon을 사용하여 이온 소스를 설계하였으며, 열전자 방출 또는 RF 안테나를 통한 플라즈마 생성에 중점을 두었고, 플라즈마 봉쇄를 위해 8개의 영구 다중쿠스 자석을 사용하였다.
• TRAVEL과 SUPERFISH를 사용하여 두 개의 솔레노이드로 구성된 LEBT 시스템을 설계하여 비임 매개변수를 일치시키고 에미턴스 증가를 최소화하였다.
• SUPERFISH, RFQFish, CST MWS를 사용하여 전자기적 시뮬레이션을 수행하여 352.21 MHz에서 캐비티 모드, Q 인자 및 전력 소산을 최적화하였다.
• RF 및 열 전도성을 확보하기 위해 RFQ 본체에 구리 도금을 한 알루미늄을 선택하고, 빔의 조립을 위한 신규 개발한 Ag 페이스트 접합 기술을 개발하였다.
• 전체 RF 작동 이전에 저전력 RF, 진공 및 기계적 테스트를 위한 냉각 모델(알루미늄 프로토타입)을 제작하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 352.21 MHz에서 동작하는 4바이브 RFQ가 2미터 이내에서 1 mA 비임 전류로 1.5 MeV 프로톤 에너지 증가를 달성할 수 있는가?
• RQ2 RFQ를 통과할 때 99%의 비임 전송율을 달성하기 위해 필요한 이온 소스 설계 및 매개변수(에미턴스, 에너지, 전류)는 무엇인가?
• RQ3 터키의 현지 제조 제약 조건을 어떻게 해결하면서도 RFQ 성능과 열 안정성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 저항 손실을 최소화하고 높은 Q 인자를 확보한 소형 고품질 RFQ 캐비티의 최적의 전자기적 및 기계적 구성은 무엇인가?
• RQ5 냉각 알루미늄 프로토타입이 고전력 작동 이전에 전체 RFQ의 RF 및 진공 거동을 정확히 예측할 수 있는가?

주요 결과

• RFQ 설계는 매칭 섹션을 포함해 총 길이 164 cm에서 1.5 MeV 프로톤 에너지 증가를 달성한다.
• 모든 입자에 대해 99%의 비임 전송율을 예측하였으며, 가속된 입자에 대해서는 96%의 전송율을 기록하였고, 평균 전류가 낮아 공간 전하 효과는 무시할 만큼 작다.
• RFQ는 352.21 MHz에서 작동하며, SUPERFISH 기준으로 Q 인자는 10,342, CST MWS 기준으로는 10,216로 높은 효율성과 낮은 에너지 손실을 나타낸다.
• 오믹 전력 손실은 1분할당 126 W/cm로 계산되었으며, 총 91 kW에 달하며, 전체 RF 전력 요구량은 25%의 안전 여유를 포함해 206 kW이다.
• 고전력 테스트 이전에 가공, 진공 밀폐성 및 저전력 RF 성능을 검증하기 위해 냉각 알루미늄 프로토타입을 제작 중이다.
• 250 kW 출력, 5% 듀티 팩터를 갖춘 RF 전원 공급장치는 현지에서 제작되어 프로젝트의 국산 개발 목표를 지원할 것이다.