[论文解读] Measurement of the six Dimensional Phase Space at the New GSI High Current Linac

P. Forck, F. Heymach+3 more|ArXiv.org|Aug 17, 2000

Particle accelerators and beam dynamics被引用 11

一句话总结

本论文提出了一种新颖的非破坏性诊断系统，用于测量GSI高电流直线加速器上高电流离子束的六维相空间。该系统采用飞行时间技术结合化学气相沉积（CVD）金刚石探测器，并利用二次电子的符合测量方法，实现了25 ps的时间分辨率，以映射纵向束团结构和发射度，揭示了由于空间电荷效应导致的显著电流依赖性束流 filamentation（丝状化）和能量展宽。

ABSTRACT

For the characterization of the 10 mA ion beam delivered by the new High Current Linac at GSI, sophisticated, mainly non-intersepting diagnostic devices were developed. Besides the general set-up of a versatile test bench, we discuss in particular bunch shape and emittance measurements. A direct time-of-flight technique with a diamond particle detector is used to observe the micro-bunch distribution with a resolution of $\sim 25 $ ps equals 0.3$^{o}$ in phase. For the determination of the energy spread a coincidence technique is applied, using secondary electrons emitted by the ion passing through an aluminum foil 80 cm upstream of the diamond detector. The transverse emittance is measured within one macro pulse with a pepper-pot system equipped with a high performance CCD camera.

研究动机与目标

• 开发用于表征GSI高电流直线加速器上高电流离子束六维相空间的非破坏性诊断方法。
• 以亚纳秒时间分辨率测量纵向束团结构，以验证束流动力学模拟并优化直线加速器性能。
• 通过离子到达金刚石探测器与铝箔上二次电子发射之间的符合技术，测定纵向发射度。
• 利用高速椒盐板系统配合CCD相机，在单个宏脉冲内测量横向发射度，实现实时诊断，适用于高束流功率条件。
• 通过对比低电流与高电流束流测量结果，研究空间电荷效应对束流质量的影响。

提出的方法

• 采用CVD金刚石探测器与双阈值甄别器的时间飞行系统，实现相对于36 MHz射频周期的25 ps时间分辨率，测量离子到达时间。
• 通过在210 μg/cm²钽箔上以2.5°角度散射1+离子，重构束团形状，将束流电流衰减10⁻⁸以避免探测器饱和。
• 通过符合技术测量纵向发射度：将离子到达金刚石探测器的时间与80 cm上游15 μg/cm²铝箔上二次电子发射时间进行关联。
• 利用带有45×45 mm²铜板（含15×15个孔，孔径0.1 mm）的椒盐板系统，通过氦氖激光照射在蓝宝石屏上成像，测量横向发射度。
• 束流分布由12位CCD相机（PCO SensiCam）捕获，并通过背景减除与校准处理，以修正机械不确定性。
• 基于飞行时间与电子发射数据重建相空间分布，投影用于发射度计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1.4 MeV/u能量下，束流电流如何影响高电流离子束的纵向束团结构与发射度？
• RQ2 在无射频阻尼条件下，空间电荷力在多大程度上导致束流丝状化与能量展宽？
• RQ3 利用二次电子与金刚石探测器的符合技术，能否实现足够的时间分辨率（≤25 ps）以高精度测量纵向相空间？
• RQ4 气体剥离器的不均匀性如何影响所测能量展宽与相空间分布？
• RQ5 探测器几何形状与电场非均匀性对纵向发射度测量精度有何影响？

主要发现

• 系统实现了25 ps的时间分辨率，对应相位宽度0.3°，可实现高精度的纵向相空间测量。
• 对于0.1 mA的Ar⁺束流，测得的纵向发射度与模拟结果一致；而对于5 mA束流，由于空间电荷效应，观察到明显的丝状化与发射度增加。
• 能量展宽从低电流时的1.7%（FWHM）增加至高电流（5 mA）时的2.8%，相空间图中呈现明显相关性，表明束流不稳定。
• 实测能量展宽比粒子追踪模拟预测值大两倍，可能归因于二次电子加速电场的不均匀性与探测器时间抖动。
• 椒盐板系统成功在单个宏脉冲内测量了横向发射度，束斑在蓝宝石屏上成像，并通过CCD相机捕获，经背景减除处理。
• 椒盐板图像中5%的背景水平归因于散射光，需进行校正以避免发射度计算中的系统误差。