[论文解读] Beam Loss in Linacs

M. Plum|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2016

Particle accelerators and beam dynamics被引用 3

一句话总结

本文研究了高强度H⁻和H⁺直线加速器中的束流损失机制，强调了H⁻系统中由于残留气体剥离、H⁺捕获、场致剥离、黑体辐射以及束流内剥离等机制导致的更高复杂性。通过在SNS对四极透镜梯度和射频相位进行经验性调节，束流损失降低了两倍，表明基于模型的调整与实时优化相结合，对下一代加速器中最小化束流损失至关重要。

ABSTRACT

Beam loss is a critical issue in high-intensity accelerators, and much effort is expended during both the design and operation phases to minimize the loss and to keep it to manageable levels. As new accelerators become ever more powerful, beam loss becomes even more critical. Linacs for H- ion beams, such as the one at the Oak Ridge Spallation Neutron Source, have many more loss mechanisms compared to H+ (proton) linacs, such as the one being designed for the European Spallation Neutron Source. Interesting H- beam loss mechanisms include residual gas stripping, H+ capture and acceleration, field stripping, black-body radiation and the recently discovered intra-beam stripping mechanism. Beam halo formation, and ion source or RF turn on/off transients, are examples of beam loss mechanisms that are common for both H+ and H- accelerators. Machine protection systems play an important role in limiting the beam loss.

研究动机与目标

• 识别并分析H⁻直线加速器中与H⁺直线加速器相比独有的束流损失机制。
• 量化残留气体剥离、束流内剥离以及场致剥离对高强度加速器中束流损失的影响。
• 评估通过经验性调节四极透镜梯度和射频相位在SNS中最小化束流损失的有效性。
• 评估模拟代码在预测束流损失方面的局限性，以及对灵活的机器晶格结构和缓解系统的需求。
• 为下一代散裂中子源和质子加速器建立束流损失最小化的最佳实践。

提出的方法

• 通过测量SNS CCL区段气体压力与束流损失的关系，分离出残留气体剥离的影响。
• 利用束流剖面测量和线扫描仪，表征DTL和HEBT区段的束流尾部和束晕形成。
• 系统性调节四极透镜梯度和射频腔相位，以识别低损失运行的包络参数。
• 比较基于设计参数设置与经验优化参数设置下的束流损失，特别是在SCL和HEBT区段。
• 应用基于模型的调节，结合更新后的模拟代码，以减少模拟结果与实际加速器性能之间的差异。
• 实施真空改善措施和额外的离子泵，以减轻气体剥离损失，依据现场测量结果进行优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 H⁻直线加速器中特有的主要束流损失机制是什么？这些机制在H⁺直线加速器中为何不存在？
• RQ2 残留气体剥离如何导致束流损失？其与束流能量和气体成分的关系如何？
• RQ3 在现有直线加速器中，通过经验性调节射频相位和四极透镜梯度，束流损失最多可降低多少？
• RQ4 为何现代模拟代码无法准确预测束流损失？应采取何种设计策略来弥补这一局限性？
• RQ5 束流晕的形成和不匹配的Twiss参数如何影响DTL和HEBT区段的束流损失？

主要发现

• 残留气体剥离是H⁻直线加速器中的主导损失机制，在气体压力升高时，束流损失显著增加，SNS的CCL和HEBT区段已证实此现象。
• 通过经验性调节射频相位和四极透镜梯度，SNS的束流损失降低了两倍，甚至1°的相位偏差也会在敏感位置导致损失翻倍。
• SNS的低损失运行包络参数在DTL的第一个线扫描仪处即表现出非高斯的束流尾部（峰值的30%），表明即使在基于设计的参数下也存在束晕形成。
• HEBT注入靶线的束流损失对HEBT四极透镜梯度设置极为敏感，尤其是在晶格过渡区域。
• 束流内剥离、场致剥离和黑体辐射是H⁻特有的损失机制，在H⁺直线加速器中并不存在。
• 尽管模拟模型准确，但预测与实际束流损失之间仍存在差异，因此必须依赖实时经验优化和灵活的晶格设计。