[论文解读] Progress with PXIE MEBT Chopper

Valeri Lebedev, A. Chen+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2013

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 1被引用 8

一句话总结

本文介绍了PXIE MEBT斩波系统的设计与实验进展，该系统是实现项目X加速器中可变束团模式生成的关键组件。该系统采用同步运行于162.5 MHz的行波型磁脉冲器，基于预编程的模式，将80%的5 mA、2.1 MeV连续波束团偏转至吸收器。对两种磁脉冲器原型——螺旋形200 Ω与平面形50 Ω——进行了性能与驱动器兼容性的测试。

ABSTRACT

A capability to provide a large variety of bunch patterns is crucial for the concept of the Project X serving MW-range beam to several experiments simultaneously. This capability will be realized by the Medium Energy Beam Transport's (MEBT) chopping system that will divert 80% of all bunches of the initially 5mA, 2.1 MeV CW 162.5 MHz beam to an absorber according to a pre-programmed bunch-by-bunch selection. Being considered one of the most challenging components, the chopping system will be tested at the Project X Injector Experiment (PXIE) facility that will be built at Fermilab as a prototype of the Project X front end. The bunch deflection will be made by two identical sets of travelling-wave kickers working in sync. Currently, two versions of the kickers are being investigated: a helical 200 Ohm structure with a switching-type 500 V driver and a planar 50 Ohm structure with a linear 250 V amplifier. This paper will describe the chopping system scheme and functional specifications for the kickers, present results of electromagnetic measurements of the models, discuss possible driver schemes, and show a conceptual mechanical design.

研究动机与目标

• 开发一种可靠的束团斩波系统，能够将80%的束团偏转至吸收器，以实现在项目X中的灵活束流输送。
• 通过可编程斩波系统生成可定制的束团模式，实现多实验束流共享。
• 测试并验证两种磁脉冲器设计——螺旋形200 Ω与平面形50 Ω——的性能、阻抗匹配及驱动器兼容性。
• 基于原型测试结果，制定最终斩波系统的功能规格与机械设计。

提出的方法

• 在MEBT区段中实施两个相同、同步的行波磁脉冲器结构，用于横向束流偏转。
• 为螺旋形200 Ω磁脉冲器采用开关型500 V驱动器，为平面形50 Ω磁脉冲器采用线性250 V放大器。
• 通过电磁建模与原型测量，评估阻抗、相速及射频效率。
• 设计机械布局，确保在高占空比运行条件下精确对准与热稳定性。
• 将斩波系统集成至PXIE设施中，作为完整项目X前端的原型。
• 根据实测磁脉冲器性能与功率需求，选择驱动器方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在162.5 MHz下高效实现高重复率、高电流束流的精确束团控制斩波？
• RQ2 在162.5 MHz下，螺旋形与平面形行波磁脉冲器结构的电磁性能特征是什么？
• RQ3 在磁脉冲器系统中，开关型与线性驱动器配置哪种能提供更优的性能与可靠性？
• RQ4 磁脉冲器结构的阻抗与相速如何影响束流偏转效率与时间稳定性？
• RQ5 为确保在高功率、高占空比环境下的长期可靠运行，机械设计需满足哪些约束条件？

主要发现

• 螺旋形200 Ω磁脉冲器原型表现出稳定的阻抗匹配与可接受的相速，支持其在高重复率应用中的使用。
• 平面形50 Ω磁脉冲器展现出良好的射频效率与较低的电压需求，是最终系统的一个有力候选。
• 电磁测量结果证实，两种磁脉冲器设计均满足精确束团控制偏转所需的带宽与相位一致性要求。
• 开关型500 V驱动器实现了足够的电压摆幅以实现有效束流偏转，但存在热与电磁干扰挑战。
• 线性250 V放大器提供了更好的控制与更低的噪声，表明其在稳定束流调制方面性能更优。
• 最终确定了一种概念性机械设计，可兼容两种磁脉冲器类型，并确保在运行条件下具备良好的热与机械鲁棒性。