[論文レビュー] Distributed Coupling Accelerator Structures: A New Paradigm for High Gradient Linacs

Sami Tantawi, Mamdouh Nasr+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2018

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 16被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、周期的波ガイドネットワークを介して各RFキャビティを独立して駆動する分散結合アクセラレータ構造を提案する。これにより、幾何学的最適化を全般に可能とし、シャントインピーダンスを向上させ、表面電場を低減できる。この設計により、Xバンド20セル線形加速器で記録的な140 MV/mの勾配を達成し、実験的に160 MΩ/mのシャントインピーダンスと、真空中の故障なしに超高勾配動作を実証した。

ABSTRACT

We present a topology for linear accelerators (linacs) that permits larger degrees of freedom for the optimization of individual cavity shapes. The power is distributed to the cavities through a waveguide with periodic apertures that guarantees the correct phases and amplitudes along the structure. This topology optimizes the power consumption and efficiency and allows the manipulation of the surface fields for high gradient operation. It also provides a possibility for low-temperature manufacturing techniques for use with novel materials. This greatly enhanced performance for both normal and superconducting linacs. We present a design and an experimental demonstration of this linac.

研究の動機と目的

• キャビティ間の結合がRFキャビティの幾何学的最適化を制限する従来の線形加速器設計の限界を克服すること。
• 各キャビティを独立して駆動することで結合制約を分離し、最大のシャントインピーダンスと最小の表面電場を実現可能な最適化を可能にすること。
• 高勾配動作に適した製造可能で低コストな設計を実現し、2つの銅ブロックのみを用いること。
• 安定した動作と最小限のダークカレントを伴い、超高勾配性能（≥140 MV/m）を実証すること。
• 理論的シャントインピーダンスをビームエネルギー増幅とウェークフィールド誘導電荷測定による実験的検証を行うこと。

提案手法

• キャビティを駆動するため、波ガイドマニホールドにλg/2間隔の周期的アパーチャを設け、適切な位相進みと電力分配を確保する。
• 整合負荷（Zl = nZ0）を備えた段階的Tジャンクションのネットワークにより、定在波比を最小限に抑え、駆動ネットワークとキャビティセル間の分離を実現する。
• n本のマニホールドを用い、π位相インターリーブを採用した位相進み駆動方式により、1セルあたり2π/nの位相進みを達成する。シンプルさと性能を考慮し、n=2（π位相）を主な設計選択とする。
• 各3端子タップオフ部の散乱行列は、S_two = [ -1/(2n+1), (1-1/(2n+1)); (1-1/(2n+1)), -1/(2n+1) ] として導出され、正確な電力分配とインピーダンス整合を可能にする。
• 従来の結合構造が20の共鳴周波数を有するのに対し、本構造は1つの共鳴周波数のみをサポートするため、調整が簡素化され、安定性が向上する。
• 製造は、波ガイドマニホールドとキャビティセルを形成する2つの銅ブロックを機械加工することで実現し、低温でコスト効率の高い高精度な製造が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線形加速器構造におけるキャビティの独立駆動は、従来の結合方式と比較して、より高いシャントインピーダンスと低い表面電場を実現できるか？
• RQ2 周期的アパーチャと位相制御を備えた分散波ガイド駆動ネットワークは、真空中の故障なしに安定した高勾配動作を可能にするか？
• RQ3 理論的シャントインピーダンス160 MΩ/mは、ビームエネルギー増幅とウェークフィールド誘導電荷測定により実験的に検証可能か？
• RQ4 分散結合トポロジーは、Xバンドおよび超伝導線形加速器における製造可能性とスケーラビリティをどの程度向上させるか？
• RQ5 超高勾配条件下でのシステムの性能はいかほどか？また、ダークカレントは破壊検出における役割を果たすか？

主な発見

• 分散結合線形加速器は、Xバンド動作において記録的な140 MV/mの加速勾配を達成し、真空中の故障は観測されなかった。
• 誘導ウェークフィールド電荷とファラデーカップ測定の一致により、測定されたシャントインピーダンス160 MΩ/mが実験的に確認された。
• 100 MV/mで16.5 MWの入力電力にて24 MeVのエネルギー増幅が測定され、設計性能とシャントインピーダンスの妥当性が検証された。
• 140 MV/mでピークダークカレントエネルギー35.7 MeVが測定され、フィールドエミッションの存在が確認され、ブレムストラーラル放射による破壊検出能力が妥当であることが裏付けられた。
• 20の共鳴周波数ではなく1つの共鳴周波数を示したため、従来の結合構造と比較して有効な分離と調整の簡素化が実現された。
• 2つの銅ブロックのみを用いた製造アプローチにより、低コストで低温で高精度かつ再現性の高い製造が可能となった。