[论文解读] Design of the Ess RFQs and Chopping Line

R. Duperrier, R. Ferdinand+6 more|ArXiv.org|Aug 18, 2000

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 5被引用 3

一句话总结

本论文提出了一种优化的ESS RFQ和斩波线设计，在第一级RFQ（95 keV至2 MeV）中实现了99.7%的透射率，在第二级（2至5 MeV）中实现了接近100%的透射率，且在两束团之间实现小于2 ns的精确束流斩波。该系统采用分段式RFQ、2.1 m的MEBT（中能束流传输线）及双斩波器，配合微带线斩波原型，实现了在100 mA H⁻束流下保持良好束流质量，且束发射度增长极小。

ABSTRACT

The chopping line is a critical part of the ESS linac in term of technical realisation of the choppers and preservation of the beam qualities. A new optimised design of the ESS RFQs and chopping lines is reported. The beam dynamics has been optimised with H- beam currents up to 100-mA to have safety margin with respect to the ESS goals. The first RFQ transmits almost 99.7% of the beam up to 2 MeV. The line with two choppers allows a perfect chopping between 2 bunches. The second RFQ accelerates the particles up to 5 MeV with a transmission close to 100%.

研究动机与目标

• 为ESS直线加速器设计一种高效率、高束流质量的斩波系统，以实现在50 Hz下的精确束流调制。
• 通过RFQ和MEBT实现100 mA H⁻束流，同时最小化束发射度增长。
• 开发一种快速、可靠的斩波系统，具备亚2 ns的上升/下降时间，实现两束团之间的束流分离。
• 通过为束流和束发射度预留安全裕量，确保系统在超过ESS参考目标条件下的稳健运行。
• 通过多粒子束流动力学模拟和三维电磁场建模验证设计方案。

提出的方法

• 使用PARMTEQM和TOUTATIS束流动力学代码，对RFQ1和RFQ2在95 keV至5 MeV能量范围内的加速性能进行优化。
• 设计了带有调制刀片电压和过渡单元的分段式RFQ，以最小化束发射度增长并提高捕获效率。
• 在10个四极磁铁、3个束团激发器以及置于四极磁铁内部的两个斩波器配置下，实现了2.1 m的MEBT，以最小化束发射度增长。
• 采用带缺口线和倒角端部的微带线蛇形结构，实现50欧姆阻抗和亚2 ns的开关速度。
• 使用MAFIA和Pspice进行2D和3D仿真，以模拟电磁场分布、信号传播特性及脉冲保真度。
• 在Rogers RT 6002基板上制造并测试了一段388 mm长的斩波原型，具备可调间隙和50欧姆特性阻抗。

实验结果

研究问题

• RQ1 352 MHz的RFQ设计能否在95 keV至2 MeV范围内，实现100 mA H⁻束流的99.7%透射率，同时实现极小的束发射度增长？
• RQ2 何种斩波器设计可实现亚2 ns的上升/下降时间，同时保持50欧姆阻抗并最小化束流畸变？
• RQ3 在高电流束流条件下，如何通过双斩波器和束团激发器最小化MEBT中的束发射度增长？
• RQ4 微带线斩波原型能否实现所需的950 V脉冲电压和84%的场效率，以支持50 Hz运行？
• RQ5 MEBT的最优配置是什么，才能实现97.2%的未斩波束流透射率，同时仅抑制0.01%的斩波束流？

主要发现

• 第一级RFQ在95 keV至2 MeV范围内实现了99.7%的透射率，100 mA H⁻束流下束发射度仅增长0.01 π.mm.mrad。
• 第二级RFQ在2 MeV至5 MeV范围内实现了99.97%的透射率，Y方向束发射度仅增长0.01 π.mm.mrad。
• MEBT实现了97.2%的未斩波束流透射率，斩波束流透射率低于0.01%，在100 mA束流下X方向束发射度增长+11%，Y方向增长+13%。
• 斩波原型实现了50欧姆特性阻抗、150 mm/ns相速度，设计满足<2 ns上升/下降时间，且支持950 V脉冲电压。
• 3D MAFIA仿真结果表明电磁设计误差在5%以内，验证了斩波器性能。
• Pspice仿真结果表明，单条50 cm的斩波线可实现360 ns关断、240 ns导通、50 Hz占空比，且占空比范围为5–65%。