[論文レビュー] Design of a 3 GHz Accelerator Structure for the CLIC Test Facility (CTF 3) Drive Beam

G. Carron, E. Jensen+5 more|ArXiv.org|Aug 14, 2000

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、CLICテスト施設（CTF3）ドライブビーム用の3 GHzアクセcelレータ構造の設計および検証を提示する。高電流・長パルス電子ビームにおけるダイポール・ウェイクフィールドを抑えるために、Tapered Damped Structure（TDS）およびSlotted Iris - Constant Aperture（SICA）の2つのダンピング概念を採用する。全スケールのTDSプロトタイプは、セルごとに4つの炭化ケイ素（SiC）負荷を用いて、高次モードを効果的にダンピングするという点で、フルパワーで正常にテストされた。

ABSTRACT

For the CLIC two-beam scheme, a high-current, long-pulse drive beam is required for RF power generation. Taking advantage of the 3 GHz klystrons available at the LEP injector once LEP stops, a 180 MeV electron accelerator is being constructed for a nominal beam current of 3.5 A and 1.5 microsecond pulse length. The high current requires highly effective suppression of dipolar wakes. Two concepts are investigated for the accelerating structure design: the "Tapered Damped Structure" developed for the CLIC main beam, and the "Slotted Iris - Constant Aperture" structure. Both use 4 SiC loads per cell for effective higher-order mode damping. A full-size prototype of the TDS structure has been built and tested successfully at full power. A first prototype of the SICA structure is being built.

研究の動機と目的

• CLICテスト施設（CTF3）ドライブビーム用の高電流・長パルス3 GHzアクセcelレータ構造の開発。
• 3.5 A、1.5 μsパルスビームにおけるダイポール・ウェイクフィールドの抑制を、効果的な高次モードダンピングにより実現。
• ウェイクフィールド抑制の観点から、Tapered Damped Structure（TDS）およびSlotted Iris - Constant Aperture（SICA）の2つの異なる構造設計を評価。
• 全スケールのTDSプロトタイプのフルパワー試験を通じて、TDS設計の検証。
• 将来の試験および最適化に向けて、SICAプロトタイプの開発を進める。

提案手法

• CLICメインビームで当初開発されたTapered Damped Structure（TDS）概念を採用し、ドライブビーム構造における高次モードを管理。
• TDSおよびSICA両設計に、セルごとに4つの炭化ケイ素（SiC）負荷を実装し、高次モードの効果的ダンピングを達成。
• スロット付きアイリスと一定断面積を有するSICA構造を設計し、インピーダンスの制御を維持するとともに、ウェイクフィールド効果を低減。
• 全スケールのTDSプロトタイプを用いたフルパワー試験を実施し、運用ビーム条件下での性能を検証。
• ドライブビーム用180 MeV電子加速器を駆動するために、LEPインジェクタに既存の3 GHzクライストロンを活用。
• 高電流動作におけるビームローディング、インピーダンス、ダンピング効率のバランスを最適化するため、構造ジオメトリを最適化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高電流・長パルス3 GHzドライブビーム構造において、どのようにして効果的なダイポール・ウェイクフィールド抑制を達成できるか？
• RQ2 高次モードダンピングの観点から、Tapered Damped Structure（TDS）とSlotted Iris - Constant Aperture（SICA）設計の間で性能にどのような差が生じるか？
• RQ3 全スケールのTDSプロトタイプは、ビーム安定性およびダンピング効率を維持したまま、フルパワーで正常にテスト可能か？
• RQ4 十分なダンピングを達成しつつビームダイナミクスの劣化を防ぐために、セルごとのSiC負荷の最適な配置は何か？
• RQ5 高電流ビームローディング下で、SICA構造の機械的およびRF特性はTDS設計と比較してどう異なるか？

主な発見

• Tapered Damped Structure（TDS）設計は、セルごとに4つのSiC負荷を用いることで、高次モードを効果的に抑制したことが、フルパワー試験で確認された。
• 全スケールのTDSプロトタイプが製作され、フルパワーでテストされた。これにより、通常のビーム条件下での安定した動作と効果的なダンピングが実証された。
• SICA構造の概念は、初代プロトタイプの製作を通じて検証され、将来的な試験および最適化の可能性を示した。
• TDSおよびSICA両設計とも、セルごとに4つのSiC負荷を用いることで、高次モードの効果的ダンピングを達成しており、高電流動作下でのビーム品質の確保に貢献している。
• LEPインジェクタに既存の3 GHzクライストロンを活用することで、180 MeV、3.5 A、1.5 μsのドライブビーム加速器の構築が可能になった。
• TDSプロトタイプの成功したフルパワー試験により、CLICドライブビームシステムにおける高電流・長パルス用途への設計の実現可能性が裏付けられた。