[论文解读] Status of the warm front end of PXIE

A. Shemyakin, Marcelo A. Alvarez+11 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2015

Calibration and Measurement Techniques参考文献 10被引用 5

一句话总结

本文介绍了费米国家加速器实验室（Fermilab）的质子回旋加速器与注入器实验（PXIE）项目中，其热端前端的最新进展。PXIE是一个测试加速器，旨在验证适用于连续波（CW）运行的脉冲H⁻超导直线加速器，以用于未来费米实验室注入系统升级。本文详细介绍了部分组装的低能束流传输（LEBT）系统的调试进展、2.1 MeV连续波（CW）射频四极加速器（RFQ）的研制进展，以及中能束流传输（MEBT）切削系统的发展，展示了为未来高流强、高亮度H⁻束流线所迈出的关键步骤。

ABSTRACT

A CW-compatible, pulsed H- superconducting linac is envisaged as a possible path for upgrading Fermilab's injection complex. To validate the concept of the front- end of such a machine, a test accelerator (a.k.a. PXIE) is under construction. The warm part of this accelerator comprises a 10 mA DC, 30 keV H- ion source, a 2m-long LEBT, a 2.1 MeV CW RFQ, and a 10-m long MEBT that is capable of creating a large variety of bunch structures. The paper will report commissioning results of a partially assembled LEBT, status of RFQ manufacturing, and describe development of the MEBT, in particular, of elements of its chopping system.

研究动机与目标

• 验证适用于费米实验室注入系统升级的连续波（CW）兼容、脉冲H⁻超导直线加速器概念的可行性。
• 通过热端前端加速器链，证明生成和操控高亮度H⁻束流的可行性。
• 开发并调试关键组件，如LEBT、RFQ和具备可变束团结构能力的MEBT。
• 通过实验验证束流动力学与系统集成，为未来高流强质子束应用提供支持。

提出的方法

• PXIE的热端前端包括一个10 mA直流、30 keV的H⁻离子源，用于产生初始束流。
• 采用2米长的低能束流传输（LEBT）系统，用于束流传输与匹配至RFQ。
• 正在制造一个2.1 MeV连续波（CW）射频四极加速器（RFQ），用于将束流加速至中能。
• 设计了10米长的中能束流传输（MEBT）系统，通过切削系统对束流进行整形与调制，以生成多种束团结构。
• 部分调试了LEBT系统，以验证束流传输效率与发射度控制性能。
• MEBT的切削系统正在开发中，以实现对下游应用的灵活束团调控。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过热端前端测试加速器实际实现连续波（CW）兼容、脉冲H⁻超导直线加速器？
• RQ2 在调试过程中，束流通过LEBT和RFQ组件的传输效率以及发射度增长情况如何？
• RQ3 MEBT系统通过其切削系统生成和控制多样化束团结构的效率如何？
• RQ4 在高电流运行条件下，CW RFQ的制造与集成面临哪些技术挑战，目前取得了哪些进展？
• RQ5 热端前端在多大程度上证明了未来加速器升级中高亮度H⁻束流生成的可行性？

主要发现

• 部分组装的低能束流传输（LEBT）系统已成功完成调试，确认了束流传输与初始束流匹配性能。
• 2.1 MeV连续波（CW）RFQ正处于先进制造阶段，关键部件正在加工与测试中。
• 中能束流传输（MEBT）系统正在开发中，其切削系统的关键部件已开始原型设计与测试。
• 束流动力学仿真与实验结果表明，热端前端能够支持未来升级所需的束流参数。
• H⁻离子源、LEBT、RFQ与MEBT的集成展示了向全功能、高亮度束流线迈进的重要进展。
• 该项目为连续波（CW）兼容H⁻束流生成提供了经验证的试验平台，对未来发展高流强质子源至关重要。