[論文レビュー] Evaluation of the Beam Coupling Impedance of New Beam Screen Designs for the LHC Injection Kicker Magnets

Hugo Day, Michael Barnes+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2012

Superconducting Materials and Applications参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、LHC注入キッカー磁石の新しいビームスクリーン設計を評価し、ビーム結合インピーダンスを低減し、ビーム誘起加熱を緩和する。CST Particle Studioを用いたシミュレーションは測定値と整合性を示しており、容量結合を有する封止スロットを備えた最適化されたスクリーン配置により、スクリーンなしの磁石と比較して縦方向インピーダンスが99%以上低減され、損失電力は70 W未満に抑えられることを示しており、元の設計の代替として実用的であり、電気破壊のリスクも低減している。

ABSTRACT

During the 2011 run of the LHC there was a significant measured temperature increase in the LHC Injection Kicker Magnets (MKI) during operation with 50ns bunch spacing. This was due to increased beam-induced heating of the magnet due to beam impedance. Due to concerns about future heating with the increased total intensity to nominal and ultimate luminosities a review of the impedance reduction techniques within the magnet was required. A number of new beam screen designs are proposed and their impedance evaluated. Heating estimates are also given with a particular attention paid to future intensity upgrades to ultimate parameters.

研究の動機と目的

• 2011年の運転でLHC MKI磁石で顕著なビーム誘起加熱が観測されたことを受けて、ビームインピーダンスの増加に対処するため。
• ビーム結合インピーダンスを低減しつつ、電気破壊リスクを最小限に抑える新しいビームスクリーン設計を評価するため。
• 将来のLHC強度アップグレードに向け、定格および最終的レイテンシーに耐える信頼性の高い損失電力推定値を提供するため。
• 正確なインピーダンス予測のため、実験測定値とシミュレーションモデルを検証するため。
• 磁場均一性と高速立ち上がり時間は維持しつつ、熱的性能を向上させるビームスクリーン構成を同定するため。

提案手法

• CST Particle Studio（時間領域電磁界シミュレーションコード）を用いて、広帯域インピーダンス解析のためのビーム結合インピーダンスをシミュレートした。
• 測定値との整合性を確認するため、ストレッチド同軸ワイヤ測定と比較した。1.5 GHz未満で良好な一致を示した。
• 損失電力推定に、式 $ P_{\text{loss}} = (f_{\text{rev}} e N_b n_{\text{bunch}})^2 \sum_{n=0}^{\infty} 2|\lambda(n\omega_0)|^2 \Re e(Z_\parallel(n\omega_0)) $ を用いた。
• 複数のビームスクリーン構成を評価した：オープンスロット対封止スロット、導体数の変更、二重容量結合を有する代替レイアウト。
• トレース長およびセラミック厚さがインピーダンスおよび損失電力に与える影響を評価した。
• スクリーン導体と外部メタライゼーションの重複による共振挙動を分析し、$n\lambda/2$ レゾネーターとしてモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHC MKI磁石用の新しいビームスクリーン設計のビーム結合インピーダンスはどの程度で、元の設計と比較してどうなるか？
• RQ2 複雑なビームスクリーン幾何形状のインピーダンスを正確に予測できるシミュレーションモデルは存在するか？測定値と比較してどうなるか？
• RQ3 異なるスクリーンレイアウトは、MKI磁石における縦方向損失電力およびビーム誘起加熱にどのように影響するか？
• RQ4 トレース長の増加が、異なるスクリーン構成におけるビーム誘起損失電力に与える影響は何か？
• RQ5 代替のビームスクリーン設計は、低インピーダンスおよび許容可能な磁場性能を維持しつつ、電気破壊を低減できるか？

主な発見

• 24本の導体を有するオープンスロットの元のビームスクリーンは、25 ns、1.2 nsトレース長の下で損失電力を38 Wにまで低減し、スクリーンなしの場合（4933 W）と比較して99.2%の低減を達成した。
• 24本の導体を有する封止スロットまたは代替レイアウトの新設計は、それぞれ76 Wおよび63 Wの損失電力にまで低減され、元の設計と同等の性能を示した。
• 15本の導体を有するオープンスロットのレイアウトは147 Wの損失電力を示し、24本導体の元の設計と比較して280%の増加を示した。
• セラミック厚さを4 mmから5.5 mmに増加させることで、24本導体のオープン設計における損失電力は76 Wから53 Wに低下し、30%の改善が得られた。
• 両端に二重容量結合を有する代替レイアウトは、損失電力を63 W（25 ns、1.2 ns）にまで低減し、元の設計と同等の性能を示した。また、破壊リスク低減の観点からも有望である。
• トレース長を0.1 ns増加させると、15本導体のレイアウトでは損失電力が約15%低減するが、共振設計ではわずか約4%の低減にとどまり、共振構成では恩恵が限定的であることが示された。