[论文解读] Flat Bunches with a Hollow Distribution for Space Charge Mitigation

Adrian Oeftiger, Hannes Bartosik+3 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2016

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文提出在CERN质子同步加速器 Booster（PSB）中采用纵向中空束团与偶极参数共振激发，以减轻横向空间电荷效应。通过调制射频（RF）相位以激发1:1参数共振，使束团核心被耗尽，形成中空相空间分布，从而降低峰值线电荷密度。关键结果是在PS注入平台期，与标准抛物线形束团相比，水平发射度膨胀减少了24.8%–34.8%，且空间电荷频移显著降低。

ABSTRACT

Longitudinally hollow bunches provide one means to mitigate the impact of transverse space charge. The hollow distributions are created via dipolar parametric excitation during acceleration in CERN's Proton Synchrotron Booster. We present simulation work and beam measurements. Particular emphasis is given to the alleviation of space charge effects on the long injection plateau of the downstream Proton Synchrotron machine, which is the main goal of this study.

研究动机与目标

• 为减轻CERN质子同步加速器（PS）中1.2秒注入平台期的横向空间电荷效应，该效应限制了高亮度LHC束流性能。
• 开发一种在PSB中可靠生成纵向中空束团的方法，且对现有运行周期改动最小。
• 比较中空束团与标准抛物线形束团在空间电荷对束流质量影响方面的差异，特别是发射度膨胀与频移。
• 验证中空束团是否能降低峰值线电荷密度并展宽动量分布，从而减小横向空间电荷频移效应。

提出的方法

• 通过调制射频相位环的相位，在PSB中激发偶极参数共振，驱动频率ω_drive ≈ 0.9ω_S,lin，以耗尽束团核心。
• 通过相位环反馈系统施加激励，调制射频参考相位φ_rf(t) = φ_S + φ̂_drive·sin(ω_drive·t)于同步相位周围。
• 采用1:1共振条件（m:n = 1:1）以最大化核心耗尽，并实现在纵向相空间中粒子的均匀方位分布。
• 通过调节激励幅度φ̂_drive主要控制纵向发射度ε_z，同时优化持续时间以最大化相空间覆盖。
• 束流参数通过在PS注入后15 ms及第二次束团注入前20 ms进行束流层析成像与丝扫描测量。
• 水平发射度ε_x通过将测量到的动量分布与贝塔振荡分布进行卷积，并使用最小二乘法拟合以匹配测量轮廓来重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 在PSB中生成的纵向中空束团是否能减少PS注入平台期的横向发射度增长？
• RQ2 与标准抛物线形束团相比，中空束团轮廓在多大程度上降低了空间电荷频移？
• RQ3 中空束团的动量分布在多大程度上影响高斯发射度模型（公式2）的有效性？
• RQ4 为最大化相空间覆盖并最小化峰值线密度，激励幅度与持续时间的最优值是什么？
• RQ5 在相同射频电压条件下，中空束团与抛物线形束团的发射度膨胀如何随亮度与束团长度变化？

主要发现

• 与理论理想矩形分布相比，中空束团将峰值线电荷密度降低了90%，显著降低了空间电荷效应。
• 在归一化至相同空间电荷频移的条件下，中空束团的垂直发射度膨胀相比抛物线形束团降低了24.8%–34.8%。
• 中空束团的实际横向空间电荷频移比高斯模型预测值低12%，这是由于λ_max降低且σ_x增大所致。
• 高斯模型对中空束团的发射度估计值偏低24.8%–34.8%，证实公式(2)不适用于非高斯动量分布。
• 在固定射频电压（80 kV）下，所有亮度水平下中空束团的发射度膨胀均持续低于抛物线形束团，证明其具有更优的空间电荷抑制能力。
• 该方法实现了中空束团的可靠、可重复生成，且对PSB运行周期改动极小，可无缝转移至PS而无需中断。