[論文レビュー] Progress with PXIE MEBT Chopper

Valeri Lebedev, A. Chen+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2013

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、プロジェクトX加速器における可変バッチパターン生成を可能にするための重要な部品であるPXIE MEBTチョッパー系の設計および実験的進捗を提示する。162.5 MHzで同期するトラベルリングウェーブキッカーを用い、5 mA、2.1 MeVの連続ビームの80％を、事前にプログラムされたパターンに従って吸収体に deflect する。2種類のキッカー素子（ヘリカル200 Ωおよびプレナリ50 Ω）を用いた性能およびドライバ互換性のテストが実施された。

ABSTRACT

A capability to provide a large variety of bunch patterns is crucial for the concept of the Project X serving MW-range beam to several experiments simultaneously. This capability will be realized by the Medium Energy Beam Transport's (MEBT) chopping system that will divert 80% of all bunches of the initially 5mA, 2.1 MeV CW 162.5 MHz beam to an absorber according to a pre-programmed bunch-by-bunch selection. Being considered one of the most challenging components, the chopping system will be tested at the Project X Injector Experiment (PXIE) facility that will be built at Fermilab as a prototype of the Project X front end. The bunch deflection will be made by two identical sets of travelling-wave kickers working in sync. Currently, two versions of the kickers are being investigated: a helical 200 Ohm structure with a switching-type 500 V driver and a planar 50 Ohm structure with a linear 250 V amplifier. This paper will describe the chopping system scheme and functional specifications for the kickers, present results of electromagnetic measurements of the models, discuss possible driver schemes, and show a conceptual mechanical design.

研究の動機と目的

• プロジェクトXにおける柔軟なビーム供給を実現するため、80％のビームバッチを吸収体に divert できる信頼性の高いバッチチョッピング系の開発。
• プログラマブルなチョッピング系を用いたカスタマイズ可能なバッチパターン生成により、複数実験のビーム共有を可能にする。
• 性能、インピーダンス整合、ドライバ互換性の観点から、ヘリカル200 Ωおよびプレナリ50 Ωの2種類のキッカー設計のテストおよび検証。
• プロトタイプのテストに基づき、最終的なチョッピング系の機能的仕様および機械的設計を確立すること。

提案手法

• MEBT部における横方向ビーム偏向のための同一の2つの同期トラベルリングウェーブキッカー構造の実装。
• ヘリカル200 Ωキッカーにはスイッチング型500 Vドライバ、プレナリ50 Ωキッカーにはリニア250 Vアンプを採用。
• プロトタイプキッカーの電磁界モデリングおよび測定により、インピーダンス、位相速度、RF効率を評価。
• 高デューティーサイクル動作下での正確なアライメントおよび熱的安定性を確保するための機械的レイアウトの設計。
• PXIE施設にプロトタイプとしてチョッピング系を統合し、将来のプロジェクトXフロントエンドの全系の原型とする。
• 測定されたキッカー性能および電力要件に基づき、ドライバ方式の選定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 162.5 MHzで高繰り返しレートかつ高電流ビームを、バッチごとの精密制御で効率的にチョッピングする方法は何か？
• RQ2 162.5 MHzでヘリカルおよびプレナリトラベルリングウェーブキッカー構造の電磁的性能特性は何か？
• RQ3 スイッチング型ドライバとリニアドライバのどちらがキッカーシステムにおいて最適な性能と信頼性を提供するか？
• RQ4 キッカー構造のインピーダンスおよび位相速度がビーム偏向効率およびタイミング安定性に与える影響は何か？
• RQ5 高出力・高デューティーサイクル環境での長期的信頼性を確保するための機械的設計上の制約は何か？

主な発見

• ヘリカル200 Ωキッカーのプロトタイプは安定したインピーダンス整合と妥当な位相速度を示し、高繰り返しレート用途に適していることが確認された。
• プレナリ50 Ωキッカーは良好なRF効率と低い電圧要件を示し、最終システムの有力候補となった。
• 電磁界測定により、両キッカー設計とも、正確なバッチごとの偏向に必要な帯域幅および位相一貫性を満たしていることが確認された。
• スイッチング型500 Vドライバは十分な電圧スイングを達成したが、熱的およびEMIの課題が指摘された。
• リニア250 Vアンプはより良好な制御性と低ノイズを示し、安定したビーム変調に優れた性能を示した。
• 両キッカー形式を収容し、運用条件下での熱的および機械的頑丈さを確保する概念的な機械的設計が最終的に決定された。