[论文解读] Intrabeam stripping in H- Linacs

Valeri Lebedev, N. Solyak+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2012

Particle accelerators and beam dynamicsEngineering参考文献 2被引用 16

一句话总结

本文研究了SNS超导直线加速器中的束流损失，将其归因于束内剥离——H⁻束内离子碰撞导致电荷交换和损失。实验观测与解析建模均表明，多粒子追踪方法低估了损失，而束内剥离能定量解释隧道中观测到的均匀辐照和辐射水平。

ABSTRACT

A beam loss in the superconducting part of the SNS linac has been observed during its commissioning and operation. Although the loss does not prevent the SNS high power operation, it results in an almost uniform irradiation of linac components and increased radiation levels in the tunnel. Multi-particle tracking could neither account for the magnitude of the observed loss nor its dependence on machine parameters. It was recently found that the loss is consistent with the intrabeam particle collisions resulting in stripping of H- ions. The paper describes experimental observations and corresponding analytical estimates of the intrabeam stripping.

研究动机与目标

• 识别SNS超导直线加速器在调试与运行期间未解释的束流损失背后的物理机制。
• 解决观测到的束流损失与多粒子追踪模拟预测之间的差异。
• 确定束内粒子碰撞——特别是H⁻离子的剥离——是否能够解释观测到的损失量级及其参数依赖性。
• 提供与SNS H⁻直线加速器实验观测一致的束内剥离速率的解析估计。

提出的方法

• 在SNS直线加速器隧道运行期间，进行了束流损失与辐射水平的实验观测。
• 基于束流参数与离子碰撞动力学，进行了束内剥离截面的解析估算。
• 将观测到的束流损失率与多粒子追踪模拟的预测值进行比较，发现后者无法再现实测损失。
• 评估了束流损失对束流强度与发射度等机器参数的依赖性。
• 利用已知的H⁻离子碰撞截面与束流密度，估算束流核心内的剥离速率。
• 通过匹配预测与观测的辐照分布，验证了束内剥离作为损失机制的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何SNS超导直线加速器中的束流损失超过多粒子追踪模拟的预测？
• RQ2 束内H⁻离子剥离能否解释直线加速器部件观测到的均匀辐照？
• RQ3 在典型的SNS运行条件下，束内剥离导致的束流损失量级是多少？
• RQ4 SNS直线加速器中，束流损失率如何依赖于束流强度与发射度？
• RQ5 在高流强H⁻直线加速器（如SNS）中，束内剥离是否是主导的损失机制？

主要发现

• SNS直线加速器中观测到的束流损失与多粒子追踪模拟结果不一致，后者显著低估了损失。
• 实验数据显示，束流损失导致直线加速器部件几乎均匀辐照，且隧道内辐射水平升高。
• 束内剥离——即束内H⁻离子之间的电荷交换碰撞——被确定为最主要的损失机制。
• 束内剥离截面与损失速率的解析估算值与观测到的束流损失及辐射水平高度一致。
• 损失对束流强度与发射度的依赖性与束内剥离的理论预测相符。
• 本研究证实，即使未在标准追踪代码中考虑，束内剥离仍是高流强H⁻直线加速器中束流损失的关键因素。