[论文解读] Beam Dynamics Investigation of the 101.28 MHz IH Structure as Injector for the HIE-ISOLDE SC Linac

Matthew Fraser, M. Pasini+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2010

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文研究了用于HIE-ISOLDE超导直线加速器升级的101.28 MHz 交织H型结构（IHS）中的束流动力学。通过测量的加速场和多粒子模拟，对LORASR代码进行了基准测试，并在注入束流发射度为2π keV/u ns时证明纵向发射度增长低于10%，确保了超导直线加速器升级所需的最优束流质量。

ABSTRACT

The first phase of the HIE-ISOLDE project at CERN consists of a superconducting (SC) linac upgrade in order to increase the energy of post-accelerated radioactive ion beams from 2.8 MeV/u to over 10 MeV/u (for A/q = 4.5). In preparation for the upgrade, we present beam dynamics studies of the booster section of the normal conducting (NC) REX-ISOLDE linac, focused on the longitudinal development of the beam in the 101.28 MHz Interdigital H-mode Structure (IHS), employing a Combined Zero Degree Structure (KONUS), pulsing at a high gradient of over 3 MV/m. The evolution of the transverse emittance in the SC linac depends critically on the injected longitudinal phase space distribution of particles from the existing linac and, with a better understanding of the beam dynamics upstream, the performance of the upgrade can be optimised. Data taken during the commissioning phase of the REX-ISOLDE linac is analysed to understand the properties of the beam in the booster and combined with beam dynamics simulations which include the realistic fields of the IHS, determined from both simulation and perturbation measurement.

研究动机与目标

• 将LORASR束流动力学代码与REX-ISOLDE IHS注入器中实际测量的场数据进行基准测试。
• 评估束流通过IHS增强器部分时的纵向发射度增长，以确保与HIE-ISOLDE超导直线加速器要求的兼容性。
• 利用三梯度法重建RFQ出口处的束流参数，并与模拟结果进行验证。
• 评估利用固态诊断技术提高测量分辨率以实现束流参数重建可行性的可能性。
• 优化注入器工作点，以最小化发射度展宽，并确保束流稳定注入超导直线加速器。

提出的方法

• 采用控制珠子速度和事后处理重建的方法，利用珠子拉力法测量IHS的加速场，以实现高精度。
• 将实测场分布与HFSS模拟结果及LORASR参数化场进行比较，实现了3%均方根稳定性内的良好一致性。
• 应用三梯度法，基于2002年和2007年REX-ISOLDE调试期间采集的能量展宽数据，重建纵向束流参数（α, β, ε）。
• 在实测IHS场中对1,000个粒子执行多粒子模拟，总发射度为2π keV/u ns，与重建数据一致。
• 使用PARMTEQ和LANA模拟验证薄缝近似方法的准确性，并评估测量分辨率带来的系统误差。
• 评估通过1 mm狭缝和四极谱仪装置提高分辨率的潜力，理论估算分辨率可达0.18%。

实验结果

研究问题

• RQ1 与数值模拟相比，LORASR代码在实测IHS场中再现束流动力学的准确性如何？
• RQ2 在实际运行条件下，纵向发射度在IHS增强器部分的增长程度如何？
• RQ3 通过三梯度法重建的束流参数（α, β, ε）的可靠性如何？与模拟预测结果相比有何差异？
• RQ4 测量分辨率对束流参数重建精度的影响是什么？是否可显著提升？
• RQ5 IHS中的何种工作点可确保最小发射度增长并实现与HIE-ISOLDE超导直线加速器的最佳匹配？

主要发现

• LORASR代码通过实测IHS场与数值模拟的对比成功完成基准测试，显示出在相位-出射能量关系上的良好一致性。
• 在注入发射度为2π keV/u ns时，束流通过IHS的纵向发射度增长小于10%，证实了束流稳定性。
• 对2002年数据集重建的束流参数（ε95% = 3.3 ± 0.4 π ns keV/u）在修正测量分辨率后与PARMTEQ模拟结果一致。
• 2007年数据集经1%（3 keV/u）分辨率误差修正后，得到ε95% = 2.1 ± 0.5 π ns keV/u，与模拟结果的一致性进一步提高。
• 对再聚焦器的薄缝近似方法验证为准确，当φs = -90°时，电压低于100 kV时对发射度增长的影响可忽略不计。
• 理论分辨率可达0.18%（采用1 mm狭缝和点对点谱仪），可实现15%精度内的束流参数重建，支持重复测量以获得更高精度。