[论文解读] CW Performance of the Triumf 8 Meter Long RFQ for Exotic Ions

R. Poirier, R. Baartman+8 more|ArXiv.org|Aug 22, 2000

Particle accelerators and beam dynamics被引用 5

一句话总结

本文展示了在TRIUMF设计的35 MHz、8米长的射频四极管（RFQ）在连续波（CW）模式下的性能，该RFQ旨在将稀有离子从2 keV/u加速至150 keV/u，采用恒定的同步相位-25°，从而无需内部的聚束器和整形器部分。通过采用高功率脉冲协议，成功缓解了场致发射引起的暗电流问题，实现了75 kW功率下的150小时连续波测试，验证了束流动力学与射频设计的正确性。

ABSTRACT

The ISAC 35 MHz RFQ is designed to accelerate ions of A/q up to 30 from 2keV/u to 150keV/u in cw mode. The RFQ structure is 8 meters long and the vane-shaped rods are supported by 19 rings spaced 40 cm apart. An unusual feature of the design is the constant synchronous phase of -25; the buncher and shaper sections are eliminated in favor of an external multi-harmonic buncher. All 19 rings are installed with quadrature positioning of the four rod electrodes aligned to +/- 0.08 mm. Relative field variation and quadruple asymmetry along the 8 meters of the RFQ was measured to be within +/- 1%. Early operation at peak inter-electrode voltage (75kV) was restricted by the rapid growth of dark currents due to field emission; the nominal operating power of 75 kW increased to 100 kW in a few hours. A program of high power pulsing, followed by cw operation have all but eliminated the problem leading to a successful 150 hour test at full power. Successful beam test results confirm beam dynamics and rf designs.

研究动机与目标

• 展示长8米的RFQ在低能下实现稳定连续波（CW）运行，用于加速稀有离子。
• 解决初始在峰值电压下连续波运行时因场致发射和暗电流增长带来的挑战。
• 通过采用恒定的-25°同步相位和外部多谐波聚束技术，验证RFQ设计，从而消除内部聚束器部分。
• 通过在全功率下进行长时间连续波测试，确认束流动力学与射频性能。
• 实现ISAC设施稀有离子束生产所需的可靠运行。

提出的方法

• RFQ结构采用杆状电极，由19个间隔40厘米的环支撑，电极在±0.08 mm公差内精确实现正交定位。
• 采用恒定的-25°同步相位，用外部多谐波聚束器替代传统的聚束器和整形器部分。
• 沿8米长度测量的相对场强变化和四极矩不对称性均保持在±1%以内。
• 在连续波运行前应用高功率脉冲协议，以对结构进行预处理并抑制场致发射。
• 通过在75 kW峰值极间电压下进行150小时连续运行测试，验证了束流动力学与射频设计。
• 在初始高压运行期间监测场致发射和暗电流增长，从而促使采用脉冲协议。

实验结果

研究问题

• RQ1 长8米的RFQ能否在高功率下实现稳定连续波运行，且暗电流不过高？
• RQ2 在无内部聚束器和整形器部分的情况下，恒定的-25°同步相位对束流质量和稳定性有何影响？
• RQ3 通过高功率脉冲预处理协议，场致发射和暗电流能在多大程度上被抑制？
• RQ4 在精确电极对齐和场强控制下，该RFQ在75 kW功率下可实现的长期连续波性能如何？
• RQ5 外部多谐波聚束方案是否能有效替代内部聚束，同时保持束流质量？

主要发现

• RFQ在75 kW功率下实现了150小时的稳定连续波运行，证明了长期运行的可靠性。
• 通过高功率脉冲预处理协议，成功抑制了场致发射和暗电流增长。
• 沿8米长度方向，相对场强变化和四极矩不对称性均保持在±1%以内，确保了束流稳定性。
• 恒定的-25°同步相位使无需内部聚束器和整形器部分即可实现有效束流控制。
• 通过成功的束流测试结果，确认了束流动力学与射频设计的准确性。
• 外部多谐波聚束器有效替代了内部聚束功能，简化了RFQ结构。