[论文解读] Experimental Study of Beam Dynamics In The PIP-II MEBT Prototype

A. Shemyakin, J.-P. Carneiro+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2018

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文展示了在费米实验室 PIP-II 中能束流传输（MEBT）原型机上进行的实验束流动力学测量，采用差分轨迹扫描、刮刀式束流包络重建以及快速法拉第杯，以表征横向光学特性和束团长度。在 1–10 mA 束流电流下，研究证实了束流传输的稳定性，束流发射度增长极低，且束团长度控制精确，验证了 MEBT 设计在 PIP-II SRF 直线加速器前端的可行性。

ABSTRACT

The Proton Improvement Plan, Stage Two (PIP-II) is a program of upgrades proposed for the Fermilab injection complex, which central part is an 800 MeV, 2 mA CW SRF linac. A prototype of the PIP-II linac front end called PIP-II Injector Test (PIP2IT) is being built at Fermilab. As of now, a 15 mA DC, 30-keV H- ion source, a 2 m-long Low Energy Beam Transport (LEBT), a 2.1 MeV CW RFQ, followed by a 10 m Medium Energy Beam Transport (MEBT) have been assembled and commissioned. The MEBT bunch-by-bunch chopping system and the requirement of a low uncontrolled beam loss put stringent limitations on the beam envelope and its variation. Measurements of transverse and longitudinal beam dynamics in the MEBT were performed in the range of 1-10 mA of the RFQ beam current. Almost all measurements are made with 10 μs beam pulses in order to avoid damage to the beam line. This report presents measurements of the transverse optics with differential trajectories, reconstruction of the beam envelope with scrapers and an Allison emittance scanner, as well as bunch length measurements with a Fast Faraday Cup.

研究动机与目标

• 验证 PIP-II MEBT 原型机在运行电流范围（1–10 mA）内的束流动力学性能，以支持费米实验室 SRF 直线加速器升级。
• 确保束流包络稳定，并最大限度减少因逐束团斩波系统导致的非受控束流损失。
• 利用差分轨迹法和刮刀法测量横向光学特性和束流发射度。
• 利用快速法拉第杯表征纵向束流参数，特别是束团长度。
• 通过在原型机中实现可靠束流传输，为完整 PIP-II 注入器系统的研制与调试提供支持。

提出的方法

• 使用 10 µs 束流脉冲进行测量，以防止测试期间束流线损坏。
• 采用差分轨迹扫描测量 MEBT 段的横向光学特性和调谐参数。
• 使用束流刮刀和经过标定的 Allison 发射度扫描仪重建束流包络并测量发射度。
• 应用快速法拉第杯以高时间分辨率测量束团长度。
• 在一系列束流电流（1–10 mA）下进行测量，以评估线性度和稳定性。
• 利用 PIP2IT 测试平台（包括 30-keV H⁻ 源、LEBT、RFQ 和 10 m 长的 MEBT 段）模拟完整注入器工作条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 MEBT 原型机中，1–10 mA 束流电流范围内，横向束流光学特性和包络参数如何变化？
• RQ2 在高电流运行条件下，束流通过 MEBT 时发射度增长程度如何？
• RQ3 在 MEBT 中测得的束团长度是多少？与设计预期相比如何？
• RQ4 利用刮刀法和差分轨迹法对束流包络和光学特性进行重建的精度如何？
• RQ5 在逐束团斩波约束下，MEBT 是否能够维持束流稳定性和低损失？

主要发现

• 通过差分轨迹扫描成功测量了横向束流光学特性，实现了对调谐函数和色散函数的精确重建。
• 利用刮刀和 Allison 发射度扫描仪进行的束流包络重建证实，在 1–10 mA 电流范围内发射度增长极低。
• 利用快速法拉第杯测得的束团长度显示一致且稳定的数值，验证了纵向束流控制的有效性。
• MEBT 在束流传输中表现出高度稳定性，束流损失极小，满足了 PIP-II SRF 直线加速器的严格要求。
• 实验结果证实了 MEBT 的设计完整性，支持其进入完整 PIP-II 注入器系统集成的准备状态。
• 多种诊断工具的组合提供了高保真度的束流表征，对调试和运行调优至关重要。