[논문 리뷰] Development of the 50-Mev DTL for the Jaeri/Kek Joint Project

F. Naito, K. Yoshino외 11명|arXiv (Cornell University)|2000. 08. 19.

Particle accelerators and beam dynamics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 JAERI/KEK 연합 프로젝트를 위해 50-MeV 알버타입 DTL의 개발 및 고출력 테스트를 제시한다. 캐비티 벽에는 주기적 역행(Periodic Reverse, PR) 구리 전기형성 기술을 적용하고, 안정적인 RF 커플링을 위해 RF 커플러를 사용한다. 주요 결과로는 1.4 m 모델 탱크에서 측정된 비부하 Q값이 46,200이며, PR 전기형성 구리의 파손 전계는 41 MV/m였으며, 5×10⁻⁴의 전류 안정도를 확보한 1000 A 펄스 전원 공급장치의 성공적인 작동이 확인되었다.

ABSTRACT

An Alvaretz-type DTL, to accelerate the H- ion beam from 3 to 50 MeV, is being constructed as the injector for the JAERI/KEK Joint Project. The following components of the DTL have been developed: (1) a cylindrical tank, made by copper electroforming; (2) rf contactors; (3) a pulse-excited quadrupole magnet with a hollow coil made by copper electroforming; (4) a switching-regulator-type pulsed-power supply for the quadrupole magnet. High-power tests of the components have been conducted using a short-model tank. Moreover a breakdown experiment of the copper electrodes has been carried out in order to study the properties of several kinds of copper materials.

연구 동기 및 목표

• JAERI/KEK 고강도 양성자 가속기 시설을 위한 50-MeV DTL 인젝터의 설계 및 구축
• RF 커플러, 전기형성 구리 캐비티, 펄스형 쿼드루플렛 마그넷과 같은 핵심 부품의 개발 및 시험
• 고출력 조건에서 PR 전기형성 구리 표면의 진공 및 RF 성능 평가
• 고출력 조기화 및 부품 신뢰성 시험을 통해 DTL의 신뢰성 있는 작동 확보
• 특히 입력 커플러 내구성과 전계 균일성 문제에 대비한 부품 통합 과제 해결

제안 방법

• 철 기초 위에 0.5 mm 두께의 PR 전기형성 구리를 도포한 원통형 DTL 탱크를 제작하고, 이후 전기화학적 연마를 실시함.
• 두 가지 유형의 RF 커플러를 설계 및 시험: 하나는 끝판과 탱크 사이, 다른 하나는 드리프트 튜브 스템과 탱크 사이에 적용하며, 스테인리스 스프링 표면에 얇은 구리층을 도포함.
• PR 구리 전기형성 기술을 활용해 소형 허브형 코ils 쿼드루플렛 마그넷을 개발하였으며, 실리콘 스틸 극판을 사용함.
• IGBT를 사용한 20 kHz 스위칭 레귤레이터 펄스 전원 공급장치를 설계하여, 1000 A 출력을 달성하고 전류 리플이 0.05% 이하인 성능 확보.
• 입력 커플러, 튜너, 쿼드루플렛 마그넷를 장착한 전체 DTL 구성 요소를 탑재한 1.4 m 모델 탱크에서 고출력 테스트 수행.
• 다양한 구리 전극에 대해 고전압 조건에서의 첫 번째 파손 전계를 비교하기 위해 파손 시험 실시.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대형 캐비티 구조에서 PR 전기형성 구리 표면의 RF 및 진공 성능은 어떠한가?
• RQ2 RF 커플러는 낮은 RF 손실과 높은 진공 정밀도를 유지하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 고정밀 전류 안정도(≤10⁻³)와 빠른 리프트 타임(5 ms)을 갖춘 펄스 전원 공급장치가 드리프트 튜브 내 쿼드루플렛 마그넷을 신뢰성 있게 구동할 수 있는가?
• RQ4 PR 전기형성 구리의 첫 번째 파손 전계 강도는 다른 구리 가공 방법과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 DTL 내 전계 비균일성은 성능에 어떤 영향을 미치며, 설계 조정을 통해 이를 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 1.4 m 모델 탱크의 비부하 Q값은 46,200에 도달하였으며, 이는 예측값의 93%에 해당하여 높은 수준의 RF 성능을 확인함.
• PR 전기형성 구리의 첫 번째 파손 전계는 41 MV/m로, 다이아몬드 연마 처리된 OFC를 제외한 다른 구리 유형보다 뚜렷이 높음.
• 펄스 전원 공급장치는 전류 안정도 5×10⁻⁴를 확보하여, 평탄한 전류 조절에 요구되는 <10⁻³ 기준을 충족함.
• 진공 펌프를 100시간 가동한 후 진공 수준은 10⁻⁵ Pa에 도달하였으며, 탈가스 속도는 5.2×10⁻⁸ Pa·m³/s/m²로 OFC와 유사한 수준임.
• 세라믹 윈도우 고장 이후에도 고출력 조기화 후 표면 방전이 관측되지 않아 전기형성 구리의 뛰어난 표면 정합성 확인.
• 짧은 펄스를 사용한 고출력 조기화로 단 이틀 만에 최대 출력(160 kW 입력)에 도달하여 효과적인 전계 조기화를 입증함.