[论文解读] Heavy-Ion Beam Acceleration of Two-Charge States from an Ecr Ion Source

P. N. Ostroumov, K.W. Shepard+2 more|ArXiv.org|Aug 19, 2000

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文提出了一种用于稀有同素体加速器（RIA）驱动型直线加速器的前端设计，通过定制化的低能束流传输（LEBT）、射频四极加速器（RFQ）和匹配段，实现了从ECR离子源同时加速铀离子的两种电荷态（29+ 和 30+）。通过采用多普勒谐振串列（multiharmonic buncher）和速度均衡型第二串列（velocity-equalizing second buncher），系统实现了纵向发射度低于0.2 S·keV/u·nsec，从而在最小化发射度增长的同时实现高效的双电荷态运行，并使重离子束流强度加倍。

ABSTRACT

This paper describes a design for the front end of a superconducting (SC) ion linac which can accept and simultaneously accelerate two charge states of uranium from an ECR ion source. This mode of operation increases the beam current available for the heaviest ions by a factor of two. We discuss the 12 MeV/u prestripper section of the Rare Isotope Accelerator (RIA) driver linac including the LEBT, RFQ, MEBT and SC sections, with a total voltage of 112 MV. The LEBT consists of two bunchers and electrostatic quadrupoles. The fundamental frequency of both bunchers is half of the RFQ frequency. The first buncher is a multiharmonic buncher, designed to accept more than 80% of each charge state and to form bunches of extremely low longitudinal emittance (rms emittance is lower than 0.2 keV/u nsec) at the output of the RFQ. The second buncher is located directly in front of the RFQ and matches the velocity of each charge-state bunch to the design input velocity of the RFQ. We present full 3D simulations of a two-charge-state uranium beam including space charge forces in the LEBT and RFQ, realistic distributions of all electric and magnetic fields along the whole prestripper linac, and the effects of errors, evaluated for several design options for the prestripper linac. The results indicate that it is possible to accelerate two charge states while keeping emittance growth within tolerable limits.

研究动机与目标

• 为解决ECR离子源在重离子（如铀）方面束流强度低的问题，该问题限制了RIA设施中可实现的束流功率。
• 实现铀离子两种电荷态（29+ 和 30+）的同时加速，以将可用束流强度加倍。
• 设计前端直线加速器段（LEBT、RFQ、MEBT、SRF），在存在空间电荷效应和电荷态间速度失配的情况下，仍能保持低发射度增长。
• 通过包含空间电荷、场误差和真实场分布的全三维模拟，验证双电荷态运行的可行性。

提出的方法

• 在28.75 MHz频率下使用多普勒谐振串列（B1）调制束流速度并形成低发射度束团，其基频为RFQ的一半。
• 在相同频率下使用第二串列（B2）以均衡29+和30+铀离子的速度，确保其在注入RFQ前达到匹配。
• 通过静电四极磁铁（Q1–Q8）设计LEBT，实现对电荷态不敏感的横向聚焦，并与RFQ匹配束流接受度。
• 使用DYNAMION和LANA代码进行全三维束流动力学模拟，包含真实三维静电场和射频场，以及空间电荷力。
• 优化RFQ参数（同步相位、场分布），以过滤纵向发射度，实现均方根发射度<0.2 S·keV/u·nsec。
• 使用COSY进行晶格设计与优化，包含三阶项，并通过全三维模拟验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在超导直线加速器中同时接受并加速铀的两种电荷态（29+ 和 30+），并实现可接受的发射度增长？
• RQ2 双电荷态束流中由于速度失配和空间电荷效应会引发哪些束流动力学挑战？如何缓解？
• RQ3 具有12 MeV/u能量点的预剥离直线加速器能否维持多电荷态的束流质量和稳定性？
• RQ4 为实现双电荷态运行下纵向发射度低于0.2 S·keV/u·nsec，所需的RFQ和LEBT设计应如何？

主要发现

• LEBT与RFQ设计成功实现了对29+和30+铀离子电荷态的接受与加速，水平方向均方根发射度增长小于7%，垂直方向无明显增长。
• 多普勒谐振串列实现了每种电荷态的束流接受度超过80%，并在RFQ出口实现了纵向发射度低于0.2 S·keV/u·nsec。
• 第二串列有效均衡了两种电荷态的速度，使束流能够满足RFQ输入速度要求（v/c = 0.01893）。
• 全三维模拟结果表明，即使存在真实场误差和空间电荷效应，发射度增长在LEBT、RFQ、MEBT和SRF直线加速器段内仍处于可接受范围内。
• 纵向相空间图显示，双电荷态束流保持在稳定区域，有效发射度增长主要源于非谐振同步相位，但仍处于接受范围（±3%能量，±30°相位）。
• 该系统证明，双电荷态同时加速可使重离子束流强度加倍，从而实现RIA目标的400 kW铀束流功率。