[論文レビュー] Project PROMETHEUS: Design and Construction of a Radio Frequency Quadrupole at TAEK

G. Türemen, B. Yasatekin+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2013

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 4被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、TAEKのSANAEM施設において、4ビームフォークを有する352.21 MHzのラジオ周波数四重極子（RFQ）の設計および構築について述べている。このRFQは、2メートル未満の長さで1 mAのH⁺ビームを20 keVから1.5 MeVまで加速することを目的としている。独自開発のRFQ設計コード（DEMIRCI）およびシミュレーションツールを用いて、99％のビーム透過率と1.5 MeVのエネルギー増幅を達成した。冷間アルミナノタイプは、低出力RFおよび真空テストのための製作中である。

ABSTRACT

The PROMETHEUS Project is ongoing for the design and development of a 4-vane radio frequency quadrupole (RFQ) together with its H+ ion source, a low energy beam transport (LEBT) line and diagnostics section. The main goal of the project is to achieve the acceleration of the low energy ions up to 1.5 MeV by an RFQ (352 MHz) shorter than 2 meter. A plasma ion source is being developed to produce a 20 keV, 1 mA H+ beam. Simulation results for ion source, transmission and beam dynamics are presented together with analytical studies performed with newly developed RFQ design code DEMIRCI. Simulation results shows that a beam transmission 99% could be achieved at 1.7 m downstream reaching an energy of 1.5 MeV. As the first phase an Aluminum RFQ prototype, the so-called cold model, will be built for low power RF characterization. In this contribution the status of the project, design considerations, simulation results, the various diagnostics techniques and RFQ manufacturing issues are discussed.

研究の動機と目的

• トルコのSANAEMで、4ビームフォークRFQを用いたコンactな1.5 MeVプロトンビームラインを開発し、将来的な研究および医療分野への応用を可能にする。
• RFQ入力要件を満たすために、正規化エミッタンス<1.5 π·mm·mradの1 mA、20 keV H⁺イオン源を設計・製作する。
• ビーム品質を維持し、空間電荷効果を最小限に抑えることを前提に、RFQ内でのビーム透過率を99％以上に達成する。
• RF電源、診断装置、ビームライン部品を含む完全なインディジナス加速器システムをトルコ国内で構築し、国産の専門知識と産業基盤を強化する。
• 現地での製造およびRF工学の実現可能性を実証するため、低出力RFおよび真空特性評価を目的とした冷間アルミナノタイプを製作する。

提案手法

• 自社開発のRFQ設計コードであるDEMIRCIを用いてビームダイナミクスをモデル化し、RFQ幾何形状を最適化した。LIDOSを用いた検証も実施した。
• IBSimuおよびSimIonを用いてイオン源を設計し、熱電子放出またはRFアンテナを用いたプラズマ生成に注力した。プラズマ閉じ込めには8個の永久磁石マルチクス磁石を採用した。
• TRAVELおよびSUPERFISHを用いて2ソレノイド型LEBTシステムを設計し、ビームパラメータを一致させ、エミッタンス増大を最小限に抑えた。
• SUPERFISH、RFQFish、CST MWSを用いて電磁界シミュレーションを実施し、キャビティモード、Qファクター、352.21 MHzにおける損失電力の最適化を図った。
• RFQ本体にアルミに銅被膜を施した素材を選定し、フォーク部の接合に新規のシルバーパスタ技術を開発することで、RFおよび熱伝導性を確保した。
• 本格的なRF動作の前段階として、低出力RF、真空、機械的特性のテストを目的とした冷間モデル（アルミナノタイプ）の製作を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4ビームフォークRFQが352.21 MHzで動作し、2メートル未満の長さで1 mAビーム電流で1.5 MeVのプロトンエネルギー増幅を達成できるか？
• RQ2 RFQ内を99％の透過率で通過させるために必要なイオン源の設計およびパラメータ（エミッタンス、エネルギー、電流）は何か？
• RQ3 トルコにおける現地製造の制約をどのように克服し、RFQの性能および熱的安定性を維持できるか？
• RQ4 最小限のオーム損失を実現するコンactで高QのRFQキャビティの最適な電磁界および機械的構成は何か？
• RQ5 冷間アルミナノタイプは、高出力動作の前段階として、本格的なRFQのRFおよび真空挙動を正確に予測できるか？

主な発見

• RFQ設計は、マッチング部を含めた全長164 cmで、1.5 MeVのプロトンエネルギー増幅を達成した。
• 全粒子に対して99％のビーム透過率が予測され、加速粒子では96％の透過率を示した。平均電流が低いため、空間電荷効果は無視できるほどであった。
• RFQは352.21 MHzで動作し、QファクターはSuperfishで10,342、CST MWSで10,216を示し、高い効率と低いエネルギー損失を示した。
• オーム損失は1クアッドラントあたり126 W/cm、合計91 kWと計算され、総RF電力要件は206 kW（25％の安全余裕を含む）であった。
• 冷間アルミナノタイプは、機械加工性、真空の完全性、低出力RF性能の検証を、高出力テストの前段階で実施するため製作中である。
• 250 kW出力、5％のデューティファクターを想定したRF電源は、現地で製作され、プロジェクトのインディジナス開発目標を支援する。