[논문 리뷰] rf Breakdown with and without External Magnetic Fields

R.B. Palmer, R. Fernow외 3명|ArXiv.org|2008. 09. 09.

Particle accelerators and beam dynamics참고 문헌 5인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 반도체 빔의 충돌을 고려한 RF 공진자에서 자기장 의존성 붕괴 모델을 제안한다. 여기서 자기장에 의해 집중된 현탁 전자가 공진자 표면을 녹이고, 이로 인해 기화 및 이온화가 발생하여 붕괴가 유도된다. 이 모델은 805 MHz에서의 실험 데이터를 잘 설명하며, 뉴트리노 팩터리 및 뮤온 콜라이더 설계에서 요구하는 것보다 훨씬 낮은 붕괴 기울기를 예측한다. 따라서 자기장 절연 구조가 필수적으로 요구된다. 이는 현탁 전자 손상을 억제하기 위함이다.

ABSTRACT

Neutrino Factories and Muon Colliders' cooling lattices require both high gradient rf and strong focusing solenoids. Experiments have shown that there may be serious problems operating rf in the required magnetic fields. The use of high pressure gas to avoid these problems is discussed, including possible loss problems from electron and ion production by the passage of an ionizing beam. It is also noted that high pressure gas cannot be used in later stages of cooling for a muon collider. Experimental observations using vacuum rf cavities in magnetic fields are discussed, current published models of breakdown with and without magnetic fields are summarized, and some of their predictions compared with observations. A new theory of magnetic field dependent breakdown is presented. It is proposed that electrons emitted by field emission on asperities on one side of a cavity are focused by the magnetic field to the other side where they melt the cavity surface in small spots. Metal is then electrostatically drawn from the molten spots, becomes vaporized and ionized by field emission from the remaining damage and cause breakdown. The theory is fitted to existing 805 MHz data and predictions are made for performance at 201 MHz. The model predicts breakdown gradients significantly below those specified for either the International Scoping Study (ISS) Neutrino Factory or a Muon Collider. Possible solutions to these problems are discussed, including designs for `magnetically insulated rf' in which the cavity walls are designed to be parallel to a chosen magnetic field contour line and consequently damage from field emission is suppressed. An experimental program to study these problems and their possible solution is outlined.

연구 동기 및 목표

• 강한 축방향 자기장 조건에서 진공 공진자 내 RF 붕괴를 이해하고 모델링하는 것. 이는 뉴트리노 팩터리 및 뮤온 콜라이더 설계와 관련된다.
• 특히 201 MHz와 같은 저주파수에서 붕괴 기울기가 감소하는 근본 원인을 규명하는 것.
• 이온화 빔 노출 조건에서 자기장 내에서 고압 가스로 채워진 공진자의 RF 작동 가능성을 평가하는 것.
• 현탁 전자 및 관련 손상을 억제하는 자기장 절연 RF 공진자 설계를 제안하고 시험하는 것.
• 3T 자기장 조건에서 201 MHz에서 모델 검증 및 솔루션 테스트를 위한 실험 계획을 수립하는 것.

제안 방법

• 비틀림이 있는 표면에서 발생하는 현탁 전자가 축방향 자기장에 의해 집중되어 반대편 표면에 영향을 주며 국소적 융해를 유도하고, 이로 인해 기화 및 이온화가 발생하는 새로운 이론적 모델을 제안한다.
• RF 및 자기장 조건에서 비틀림의 파괴와 재형성 간의 경쟁을 모델링하여 주파수 및 펄스 길이 의존성을 설명한다.
• 기존 805 MHz 실험 데이터에 모델을 적합시키며, Be 창이 있는 오픈 다중셀 및 필복 공진자 결과를 포함한다.
• 적합된 모델을 기반으로 201 MHz에서의 붕괴 기울기를 예측하며, 뉴트리노 팩터리 및 뮤온 콜라이더 운영 요구 수준보다 크게 감소함을 보여준다.
• 공진자 벽면을 자기장 선과 일치시켜 현탁 전자를 억제하는 자기장 절연 공진자 설계를 한다.
• 단일 플랜지 진공 도메인과 접근 가능한 계측 장치를 갖춘 다기능 테스트 스탠드를 제안하여 고자기장 조건에서 RF 공진자, 코ils, 부품의 테스트를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 축방향 자기장에 노출된 진공 공진자에서 RF 붕괴가 발생하는 원인은 무엇인가? 특히 201 MHz와 같은 저주파수에서 그렇다.
• RQ2 초기 기대와는 달리, 고압 가스로 채워진 공진자가 자기장에서 붕괴를 억제하지 못하는 이유는 무엇인가?
• RQ3 이온화 뮤온 빔의 존재가 전자 및 이온 생성을 통해 가스로 채워진 RF 공진자의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 자기장 절연 RF 공진자가 고자기장 조건에서 현탁 전자를 억제하고 표면 손상을 방지할 수 있는가?
• RQ5 3T 자기장 조건에서 201 MHz에서의 예상 붕괴 기울기는 얼마이며, 뉴트리노 팩터리 및 뮤온 콜라이더 시스템의 요구 운영 수준과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?

주요 결과

• 제안된 모델은 805 MHz 실험 데이터를 합리적으로 설명하며, Be 창이 있는 필복 공진자에서의 이례적인 결과와 Cu 버튼의 결과도 포함한다.
• 모델은 3T 자기장 조건에서 201 MHz에서 붕괴 기울기가 뉴트리노 팩터리 및 뮤온 콜라이더의 단계 전환 및 초기 냉각에 요구되는 12–15 MV/m보다 훨씬 낮아질 것으로 예측한다.
• 고압 가스로 채워진 공진자는 붕괴에 대해 자기장 의존성이 없음을 보였지만, 이온화 및 RF 필드에 의한 전자 가열로 인해 에너지 손실이 발생하여 Q 인자가 감소한다.
• ISS 뉴트리노 팩터리 및 저임피던스 뮤온 콜라이더의 경우, 가스로 채워진 공진자 내 빔 유도 손실로 인해 최종 Q는 각각 7.6과 22로 예측된다.
• 모델은 공진자 벽면을 자기장 선과 일치시키는 자기장 절연을 통해 현탁 전자를 억제하고 국소적 융해 및 이온화를 방지할 수 있음을 시사한다.
• 모델 검증 및 솔루션 테스트를 위한 실험 계획을 제안하며, 이는 3T 자기장에서 201 MHz 공진자 테스트 및 향후 6D 냉각 단계에서 10–15T 솔레노이드를 사용한 구성 요소 테스트를 포함한다.