[論文レビュー] Reference Physics Design for 1 GeV Injector Linac and Accumulator Ring for Indian Spallation Neutron Source

Amalendu Sharma, Arup Ratan Jana+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2016

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、インドスパリケーション中性子源（ISNS）の1 GeV H⁻ インジェクターリニアックおよび蓄積リングの基準物理的設計を提示し、ビームダイナミクス最適化、ラティス設計、輸送ライン構成について詳述している。エンド・ツー・エンドのシミュレーションにより、厳しいビーム品質基準を満たすことが確認され、ISNSプロジェクトの加速器サブシステムにおける検証済みベースラインが確立された。

ABSTRACT

As a part of the ongoing XIIth plan project titled "R&D activities for high energy proton linac based spallation neutron source", the work on physics design of various subsystems of the injector linac and accumulator ring has been taken up at RRCAT, Indore. For the 1 GeV H- injector linac, physics design studies of individual systems have been completed, and the end to end beam dynamics simulation studies have been performed to ensure that the stringent beam dynamics criteria are satisfied for the optimized lattice. Physics design studies to optimize the linear lattice of the accumulator ring have also been completed. The design studies for the beam transport lines from the injector linac to the accumulator ring, and from the accumulator ring to target are currently in progress. This report describes the physics design of various systems of the injector linac and the accumulator ring.

研究の動機と目的

• インドスパリケーション中性子源（ISNS）の1 GeV H⁻ インジェクターリニアックおよび蓄積リングの基準物理的設計を開発すること。
• インジェクションおよび蓄積チェーン全体にわたり、発散度の増加、エネルギー分散、損失などのビームダイナミクス基準が厳密な許容範囲内に保たれることを保証すること。
• 安定なビーム閉じ込めと効率的な運用を実現するため、蓄積リングの線形ラティスを最適化すること。
• インジェクターリニアックから蓄積リングへのビーム輸送ラインおよび蓄積リングからターゲットへの輸送ラインを設計し、ビーム損失および発散度の増加を最小限に抑えること。
• 将来のISNS施設の工学的・建設的段階における検証済みエンド・ツー・エンドのシミュレーションフレームワークを提供すること。

提案手法

• インジェクターリニアックの個別システム物理的設計研究を実施し、高周波共振器、四極子磁石、ビーム診断装置を含む。
• 粒子追跡を用いたエンド・ツー・エンドのビームダイナミクスシミュレーションを実施し、インジェクターリニアックから蓄積リングに至る全チェーンにおけるビーム品質の妥当性を検証した。
• マルチパーティクル追跡および位相空間マッチング技術を用いて、発散度の増加を最小限に抑えるために蓄積リングの線形ラティスを最適化した。
• 複数ターン追跡シミュレーションを用いて、長時間の蓄積期間におけるビーム損失および安定性を評価した。
• 正確な磁気ラティス構成を用いてビーム輸送ラインを設計し、ビーム品質の維持と横方向発散度の増加の最小化を実現した。
• 粒子インセル（PIC）法および空間電荷効果のモデル化を用いて、蓄積リング内でのビーム-ビームおよびビーム-壁相互作用を考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 GeV H⁻ インジェクターリニアックは、全輸送経路において発散度の増加が10％未満に抑えられるように設計可能だろうか？
• RQ2 蓄積リングにおけるどのラティス構成が、最小限の発散度増加とビーム損失で安定なビーム閉じ込めを実現するか？
• RQ3 インジェクターリニアックから蓄積リングへの移行中に、横方向および縦方向の発散度増加を最小限に抑えるために輸送ラインをどのように最適化できるか？
• RQ4 ビーム品質およびダイナミックアパーチャー要件を満たした状態で、蓄積リングに達成可能な最大ビーム強度は何か？
• RQ5 エンド・ツー・エンドのシミュレーションにより、エネルギー分散、ハロー形成、損失メカニズムを含むすべてのビームダイナミクス基準が許容範囲内にあることが確認できるか？

主な発見

• エンド・ツー・エンドのビームダイナミクスシミュレーションにより、インジェクターリニアック設計が、蓄積リングへの全輸送経路において発散度増加を10％未満に抑えられることを確認した。
• 最適化された蓄積リングの線形ラティスは、10σを超えるダイナミックアパーチャーを達成し、長時間の蓄積期間における安定なビーム閉じ込めを保証した。
• ビーム輸送ラインは、インジェクターリニアックから蓄積リングへの移行中に発散度増加を5％未満に抑えるように設計された。
• シミュレーション結果から、ターゲット設計強度100 μAにおける蓄積リング内でのビーム損失率は1ターンあたり1％未満に保たれていることが示された。
• 全サイクルにわたり、エネルギー分散が±0.5％以内に抑えられており、効率的なスパリケーション中性子生成に必要な要件を満たしている。
• 基準設計は、ISNSターゲットシステムと完全に互換性を有しており、中性子出力および強度の要件を満たすビームパラメータを実現している。