[논문 리뷰] The New Gas Stripper and Charge State Separator of the Gsi High Current Injector

W. Barth, P. Forck Gsi|ArXiv.org|2000. 08. 16.

Particle accelerators and beam dynamics참고 문헌 3인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 GSI 고전류 인젝터를 위한 새로운 가스 스트리퍼와 이온 전하 상태 분리장치의 설계 및 시운전을 제시하며, 238U4+를 28+로 효율적으로 탈전자시키고 15° 및 30° 키퍼 마그넷을 이용한 정확한 분리를 가능하게 한다. 이 시스템은 극한의 공간 전하 조건에서도 안정적인 빔 전송을 입증하였으며, 이론적 모델을 검증하고 SIS 가속기 프로젝트의 다중 빔 운영을 가능하게 하였다.

ABSTRACT

The GSI Unilac was upgraded as a high current injector for the SIS in 1999. Therefore, the stripping section [1] at 1.4 MeV/u, where a beam transport under highest space charge conditions and multi beam operation had to be established, was completely new designed. Results of the commissioning of the stripper section will be presented. The beam transport to the new gas stripper, and the charge state analysis under space charge conditions confirmed the calculations. A 238U4+ beam - coming from a MEVVA ion source and accelerated by the new injector linac- was stripped (with the expected stripping efficiency) to the charge state 28+ and successfully separated by the new spectrometer (15 degree and 30 degree kicker magnets). The transport and matching to the poststripper accelerator under highest space charge conditions was investigated with a 15 emA 40Ar10+ beam. Especially space charge and charge state dependent emittance growth effects in 6d-phase space will be discussed.

연구 동기 및 목표

• SIS 가속기 프로젝트 운영을 지원하기 위해 GSI 고전류 인젝터를 위한 새로운 가스 스트리퍼와 전하 상태 분리장치의 설계 및 구현.
• 다중 빔 기능을 갖춘 극한의 공간 전하 조건에서도 빔 전송을 가능하게 하기.
• 고전류 조건에서 6차원 위상공간 내 빔 역학 및 발산도 증가에 대한 이론적 예측을 검증하기.
• 238U4+를 28+ 전하 상태로 효율적으로 탈전자시키고 키퍼 마그넷을 이용한 정밀한 분리 실현.
• 고강도 빔 조건에서 후속 스트리퍼 가속기로의 신뢰성 있는 매칭 및 전송 확보.

제안 방법

• 고공간 전하 및 다중 빔 운영 조건을 처리하기 위해 1.4 MeV/u에서 새로운 탈전자 구역을 설계.
• 고전하 이온으로부터 전자를 제거하기 위해 가스 스트리퍼를 활용하여 238U의 전하 상태를 28+까지 증가.
• 탈전자된 빔의 전하 상태 분리를 위해 15° 및 30° 키퍼 마그넷 시스템을 사용.
• 공간 전하 및 발산도 증가 효과를 시험하기 위해 15 mA의 40Ar10+ 빔을 사용하여 빔 역학 시뮬레이션 및 검증.
• 6차원 위상공간에서의 추적을 통해 고전류 조건에서의 발산도 증가 및 빔 매칭 분석.
• 시운전 결과를 이론적 계산과 비교하여 성능를 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전류 및 고공간 전하 조건에서 238U4+가 얼마나 효율적으로 28+로 탈전자될 수 있는가?
• RQ2 빔 전송 중 공간 전하 및 전하 상태가 6차원 위상공간 내 발산도 증가에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 새로운 가스 스트리퍼와 전하 상태 분리장치가 다중 빔 운영 조건에서도 빔 품질과 안정성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 새로운 인젝터 구성에서 빔 역학에 대한 이론적 예측이 실험 결과와 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 극한의 공간 전하 조건에서 빔이 후속 스트리퍼 가속기로 얼마나 잘 매칭되는가?

주요 결과

• 새로운 가스 스트리퍼는 예상된 탈전자 효율을 달성하여 238U4+를 28+ 전하 상태로 성공적으로 변환하였다.
• 15° 및 30° 키퍼 마그넷은 탈전자된 빔의 효과적인 전하 상태 분리를 가능하게 하였다.
• 최고의 공간 전하 조건에서도 후속 스트리퍼 가속기로의 빔 전송 및 매칭이 확인되었다.
• 발산도 증가는 전하 상태 및 공간 전하에 따라 달라지며, 6차원 위상공간 내에서 측정 가능한 영향을 보였다.
• 실험 결과는 이론적 계산과 일치하여 설계 및 시뮬레이션 모델의 타당성을 검증하였다.
• 다중 빔 운영이 성공적으로 시연되어 시스템의 고전류 인젝터 응용 가능성을 확인하였다.