[论文解读] Compensation of Transverse Field Asymmetry in the High-beta Quarter-wave Resonator of the HIE-ISOLDE Linac at CERN

M. A. Fraser, M. Pasini+2 more|ArXiv.org|Sep 27, 2009

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

一句话总结

本文针对HIE-ISOLDE超导直线加速器中高β值四分之一波长谐振腔（QWR）提出两种几何结构改进，以减少导致束流发射度增长的横向场不对称性。跑道形束流口和重新设计的内部导体均提升了场对称性，其中后者在速度范围内实现低于0.03 mrad的不对称性，但代价是峰值电场增加20%。

ABSTRACT

The superconducting upgrade of the REX-ISOLDE radioactive ion beam (RIB) post-accelerator at CERN will utilise a compact lattice comprising quarter-wave resonators (QWRs) and solenoids, accelerating beams in the mass range 2.5 < A/q < 4.5 to over 10 MeV/u. The short and independently phased quarter-wave structures allow for the acceleration of RIBs over a variable velocity profile and provide an unrivalled longitudinal acceptance when coupled with solenoid focusing. The incorporation of the solenoids into the cryomodule shortens the linac, whilst maximising the acceptance, but the application of solenoid focusing in the presence of asymmetric QWR fields can have consequences for the beam quality. The rotation of an asymmetric beam produces an effective emittance growth in the laboratory reference system. We present modifications of the cavity geometry to optimise the symmetry of the transverse fields in the high-beta QWR. A racetrack shaped beam port is analysed and a modification made to the inner conductor with a geometry that will enable a niobium film to be effectively sputtered onto the cavity surface.

研究动机与目标

• 解决HIE-ISOLDE超导直线加速器中高β值四分之一波长谐振腔（QWR）的横向场不对称性问题，该问题会降低束流质量。
• 研究非对称射频场如何引起束流偏转和发射度增长，尤其在磁聚焦束流中的影响。
• 优化腔体几何结构以最小化场不对称性，并在A/q接受范围（2.5–4.5）内改善束流动力学性能。
• 评估束流口形状和内部导体设计对场对称性和峰值电场的影响。
• 确定场对称性改善是否可转化为束流加速过程中横向发射度增长的可测量降低。

提出的方法

• 使用MWS代码对射频场进行数值模拟，分析标准、跑道形和改进型漂移管腔体几何结构中的场分量。
• 采用最小二乘法优化腔体偏移量，以在A/q范围（2.5–4.5）内最小化束流偏转冲量。
• 利用TRACK代码实施多粒子束流动力学模拟，将磁聚焦设置为90°相位提前，以抑制发射度增长。
• 比较三种腔体变体（圆形孔径、跑道形孔径和改进型内部导体）的束流包络演化和发射度演化。
• 分析束流轴线上四极子类场分量，以量化不对称性及其对横向发射度的影响。
• 考虑铌薄膜溅射的制造工艺，包括对内部导体几何结构的修改，以实现均匀涂层。

实验结果

研究问题

• RQ1 与圆形孔径相比，跑道形束流口在高β值QWR中如何影响横向场对称性？
• RQ2 重新设计内部导体在多大程度上可减少束流轴线上场的不对称性？
• RQ3 改进后的场对称性与峰值电场增加之间的权衡关系如何？
• RQ4 场不对称性如何影响磁聚焦直线加速器中的束流发射度增长和包络分裂？
• RQ5 速度相关的束流偏转力对A/q接受范围内束流质量的影响如何？

主要发现

• 跑道形束流口在高于3.7 MeV/u（β = 0.09）时相比圆形孔径可降低场不对称性，与升级后HIE-ISOLDE直线加速器的最小注入能量一致。
• 改进型内部导体几何结构在全部速度范围（β = 0.078–0.186）内实现场对称性优于0.03 mrad，显著提升了场均匀性。
• 尽管对称性改善，改进型腔体因导体端部曲率半径减小，导致峰值电场增加20%。
• 束流动力学模拟显示，改进型腔体维持了对称的束流包络，最小化了发射度分裂，使有效发射度增长降低几个百分点。
• 跑道形孔径在束流偏转补偿方面与圆形孔径表现相当，但未能完全消除由不对称性引起的发射度混合。
• 尽管场对称性显著提升，改进型内部导体对束流质量的改善幅度有限——仅约几个百分点。