[论文解读] Multiple Charge State Beam Acceleration at Atlas

P. N. Ostroumov, R. C. Pardo+3 more|ArXiv.org|Aug 19, 2000

Particle accelerators and beam dynamics被引用 6

一句话总结

本文展示了在ATLAS重离子加速器中对238U离子的多种电荷态实现同步加速，采用26+离子束在注入 Booster 直线加速器前剥离至更高电荷态。在94%的传输效率下，束流质量与模拟结果一致，研究证实多电荷态加速可显著提高束流强度——在双次剥离后，238U+51的能散达到1.3%，验证了未来稀有同素素束设施（如RIA）关键加速器设计方法的有效性。

ABSTRACT

A test of the acceleration of multiple charge-state uranium beams was performed at the ATLAS accelerator. A 238U+26 beam was accelerated in the ATLAS PII linac to 286 MeV (~1.2 MeV/u) and stripped in a carbon foil located 0.5 m from the entrance of the ATLAS Booster section. A 58Ni9+ 'guide' beam from the tandem injector was used to tune the Booster for 238U+38. All charge states from the stripping were injected into the booster and accelerated. Up to 94% of the beam was accelerated through the Booster linac, with losses mostly in the lower charge states. The measured beam properties of each charge state and a comparison to numerical simulations are reported in this paper.

研究动机与目标

• 在现有加速器中演示同时加速多种重离子电荷态的可行性，以提高束流强度。
• 测量剥离和加速后各电荷态的束流参数（发射度、能量、能散）。
• 将实验结果与数值模拟进行比较，以验证多电荷态运行的束流动力学模型。
• 评估在多电荷态加速中，对准误差和调谐误差对束流质量的影响。
• 评估该方法在未来的高强稀有同素素束设施（如 RIA）中的潜力。

提出的方法

• 在ATLAS PII直线加速器中将238U+26束流加速至286 MeV（约1.2 MeV/u），并在距离Booster区段0.5 m处的75 Pg/cm²碳箔中进行剥离。
• 使用58Ni+9 '引导'束流对Booster直线加速器进行调谐，使其与238U+38的速率和同步相位匹配，同步相位设定为-30°。
• 通过硅探测器测量束流能量，并通过四极子三重组梯度变化测量发射度，采用自动扫描程序对Booster直线加速器进行调谐。
• 通过丝扫描和四极子扫描测量横向发射度；通过飞行时间（TOF）和硅探测器系统测量纵向束流参数。
• 在剥离靶前10 mm处设置光阑，通过减少低电荷态的损失，将传输效率提高至94%。
• 在Booster出口处进行双次剥离，产生238U+51，其束流参数被测量以评估多阶段剥离引起的能散增长。

实验结果

研究问题

• RQ1 在从26+束流剥离后，238U的多种电荷态能否在ATLAS Booster直线加速器中高效加速？
• RQ2 在多电荷态束流中，发射度、能量和能散等束流参数在不同电荷态之间如何变化？
• RQ3 对准误差和调谐误差在多电荷态加速中对束流质量的影响程度如何？
• RQ4 在多电荷态束流中，第二次剥离阶段后能散增加了多少？
• RQ5 实验结果与Booster中束流动力学的数值模拟结果在多大程度上一致？

主要发现

• 经过优化，ATLAS Booster对多电荷态铀束流的传输效率达到94%，损失主要集中在低电荷态。
• 电荷态37–39的平均能散为0.7%，与模拟结果一致，符合RIA驱动直线加速器的要求。
• 238U+38的FWHM能散为0.4%，在双次剥离后增加至1.3%（238U+51），表明第二次剥离导致能散增加了三倍。
• 垂直归一化发射度范围为0.89至2.69 S·mm·mrad，其中双次剥离的238U+51束流发射度最高（2.69），主要由于螺线管对准误差。
• 横向束流剖面显示，多电荷态束流的尺寸大于引导束流，主要由于对准误差导致的有效发射度增长。
• 实验测得的束流参数（包括能量和发射度）与使用改进版 LANA 代码进行的数值模拟结果具有良好一致性。