[논문 리뷰] Heavy-Ion Beam Acceleration of Two-Charge States from an Ecr Ion Source

P. N. Ostroumov, K.W. Shepard외 2명|ArXiv.org|2000. 08. 19.

Particle accelerators and beam dynamics참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 ECR 이온원에서 생성된 우라늄 이온의 두 전하 상태(29+ 및 30+)를 동시에 가속하는 데 목적이 있는 Rare Isotope Accelerator(RIA) 드라이버 라인액의 프론트엔드 설계를 제시한다. 이는 맞춤형 저에너지 비임펄스(LEBT), RFQ 및 매칭 섹션을 통해 실현된다. 다중조화 빔버스터와 속도 동일화 제2 빔버스터를 활용하여 종방향 에미턴스를 0.2 S·keV/u·nsec 이하로 유지함으로써, 에미턴스 증가를 최소화하고 중성자기류를 이중화함으로써 고원자량 이온에 대한 효율적인 이중 전하 상태 작동이 가능해진다.

ABSTRACT

This paper describes a design for the front end of a superconducting (SC) ion linac which can accept and simultaneously accelerate two charge states of uranium from an ECR ion source. This mode of operation increases the beam current available for the heaviest ions by a factor of two. We discuss the 12 MeV/u prestripper section of the Rare Isotope Accelerator (RIA) driver linac including the LEBT, RFQ, MEBT and SC sections, with a total voltage of 112 MV. The LEBT consists of two bunchers and electrostatic quadrupoles. The fundamental frequency of both bunchers is half of the RFQ frequency. The first buncher is a multiharmonic buncher, designed to accept more than 80% of each charge state and to form bunches of extremely low longitudinal emittance (rms emittance is lower than 0.2 keV/u nsec) at the output of the RFQ. The second buncher is located directly in front of the RFQ and matches the velocity of each charge-state bunch to the design input velocity of the RFQ. We present full 3D simulations of a two-charge-state uranium beam including space charge forces in the LEBT and RFQ, realistic distributions of all electric and magnetic fields along the whole prestripper linac, and the effects of errors, evaluated for several design options for the prestripper linac. The results indicate that it is possible to accelerate two charge states while keeping emittance growth within tolerable limits.

연구 동기 및 목표

• 우라늄과 같은 고원자량 이온의 경우 ECR 이온원에서 낮은 비드미턴스가 발생하여 RIA 시설에서 달성 가능한 비드미턴스가 제한됨을 해결하기 위함.
• 우라늄 이온의 두 전하 상태(29+ 및 30+)를 동시에 가속하여 이용 가능한 비드미턴스를 두 배로 늘리기 위함.
• 공간 전하 및 전하 상태 간 속도 불일치로 인한 에미턴스 증가를 최소화하면서도, 저에너지 비임펄스(LEBT), RFQ, MEBT, SRF를 포함한 프론트엔드 라인액 섹션을 설계하기 위함.
• 공간 전하, 필드 오차, 실제 필드 분포를 포함한 완전한 3차원 시뮬레이션을 통해 이중 전하 상태 작동의 실현 가능성을 검증하기 위함.

제안 방법

• RFQ의 기본 주파수의 반으로 설정된 28.75 MHz에서 다중조화 빔버스터(B1)를 사용하여 비드미턴스가 낮은 빔 뭉치를 형성하고 비드미턴스를 조절함.
• 두 번째 빔버스터(B2)를 동일 주파수로 사용하여 29+ 및 30+ 우라늄 이온의 속도를 RFQ 투입 이전에 동일하게 맞춤.
• 전기적 쿼드루폴(제1~제8 쿼드루폴, Q1–Q8)을 사용하여 전하에 민감하지 않은 횡방향 초점화를 제공하고, RFQ에 대한 적절한 비드미턴스 수용 범위를 확보한 LEBT 설계.
• 공간 전하력까지 포함한 실제 3차원 전기장 및 고주파장에 기반한 DYNAMION 및 LANA 코드를 사용한 완전한 3차원 비드미턴스 역학 시뮬레이션 수행.
• 종방향 비드미턴스를 걸러내고 루트 평균 제곱(RMS) 비드미턴스를 0.2 S·keV/u·nsec 이하로 유지하기 위해 RFQ 파arameter(동기 위상, 필드 프로파일) 최적화.
• COSY를 사용하여 랙시 설계 및 최적화(3차 항 포함)를 수행하고, 결과의 타당성을 완전한 3차원 시뮬레이션으로 검증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 비드미턴스 증가를 허용 가능한 수준으로 유지하면서 초도 비드미턴스를 갖춘 초도 라인액에서 두 전하 상태의 우라늄(29+ 및 30+)을 동시에 수용하고 가속할 수 있는가?
• RQ2 이중 전하 상태 빔에서 속도 불일치 및 공간 전하로 인해 발생하는 비드미턴스 역학적 과제는 무엇이며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ3 12 MeV/u 에너지 지점이 있는 프리스트립퍼 라인액이 여러 전하 상태에서 비드미턴스 품질과 안정성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 이중 전하 상태 작동을 위해 종방향 비드미턴스를 0.2 S·keV/u·nsec 이하로 유지하기 위해 필요한 RFQ 및 LEBT 설계는 무엇인가?

주요 결과

• LEBT 및 RFQ 설계는 수평 평면에서 약 7% 이하의 RMS 비드미턴스 증가로 29+ 및 30+ 우라늄 전하 상태를 성공적으로 수용하고 가속하였으며, 수직 평면에서는 관측 가능한 비드미턴스 증가가 없었다.
• 다중조화 빔버스터는 각 전하 상태에 대해 80% 이상의 비드미턴스 수용율을 확보하였고, RFQ 출구에서 종방향 비드미턴스가 0.2 S·keV/u·nsec 이하로 유지되었다.
• 두 번째 빔버스터는 두 전하 상태의 속도를 효과적으로 동일화하여 RFQ의 입력 속도 요구 조건(v/c = 0.01893)에 적절히 매칭시켰다.
• 완전한 3차원 시뮬레이션을 통해 LEBT, RFQ, MEBT, SRF 라인액 섹션 전반에서 실제 필드 오차 및 공간 전하 효과가 있음에도 비드미턴스 증가가 허용 가능한 수준을 유지함을 확인하였다.
• 종방향 위상 공간도에서 이중 전하 상태 빔이 안정 영역 내에 유지되었으며, 비드미턴스 증가의 주요 원인은 주파수 오프셋 동기 위상에 기인했지만, 여전히 수용 범위(±3% 에너지, ±30° 위상) 내에 있었다.
• 이 시스템은 고원자량 이온의 이중 전하 상태 동시 가속이 비드미턴스를 두 배로 늘릴 수 있음을 입증하였으며, RIA의 400 kW 우라늄 비드미턴스 목표를 달성하는 데 기여하였다.