JP5689076B2 - マルチモード、多周波、2ビームを加速する装置及び方法 - Google Patents
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Description
図を参照して様々な実施形態を説明する。以下の説明において、説明のために、多くの具体的な詳細事項が1以上の実施形態の理解を与えるために記載されている。しかしながら、そのような態様は、これらの具体的な詳細事項によらずに実施されてもよいことは明らかであろう。
図9は、キャビティの壁の厚さを示す。2ビームがキャビティ内の開口を通ると、熱がキャビティ内で生成される。キャビティの壁の厚さは、熱を除去できるキャビティの壁の周囲に、壁が熱を伝えられるように選択されるべきである。特に、壁の厚さは2〜4mmの範囲内で、例えば3mmである。壁がミリメーターの厚さよりさらに薄い場合、壁はあまりにも薄くかつ弱くなる可能性がある。一方、4mmをはるかに超える壁の厚さは、加速器内で空間を無駄にし始める。従って、厚さは、実用上必要な構造上の強度、空間の効果的な使用、そして、キャビティの周囲に熱を伝えられることをバランスするように選択される。
例えば、2:1の横比率を有するキャビティを用いる加速器において、複数の調和関係にあるモードが、例えば図10に示されるf110等のバンチ周波数を有する駆動ビームを駆動することによってキャビティ内で励起され得る。2ボックスキャビティは、一連の等距離モードという要求特性を享受する。
図15及び図16は、説明に役立つキャビティセットの例示的態様を示す。図16は、互いに隣接して配置された4つのキャビティセットを示す。例えば、共振キャビティは、共振キャビティを形成するために組み立てられた6つのピース1502a〜1502fからなる組を形成することによって製造される。6つのピースは、2つの開口1501が、2つのビームの進行方向に垂直に組み立てられた各壁に形成されるように形成される。これらの開口により、2つのビームがキャビティを通過することができる。駆動ビームと加速ビームは特定の開口を通過することは要求されず、また、2つのビームは特定の方向にキャビティを通過することも要求されない。上述の通り、好ましくは、2セルキャビティは金属製である。従って、6つのピースを、例えば、金属ブロックからピースをミル処理する等により、金属で形成することができる。典型的例示では、2セルキャビティのピースは銅のブロックからミル処理が行なわれてもよい。
図8及び図9のキャビティギャップ幅hを、特定の式を用いることによって決定することができる。例えば、破壊の確率は、積(En×T)により決定することができる。ここで、Tは事実上のパルス幅であり、指数nは2又は3でもよい。式I2とI3は、破壊の確率に関する潜在的情報を提供する。ここで、Gは加速勾配であり、Tは加速されたバンチ間の時間である。従って、I2とI3は、マルチモードキャビティ又はシングルモードキャビティの使用を通じて生じる、予定される一定量の利得を与える。
正方形キャビティに対して、キャビティ本来の固有モードは調和関係にある固有周波数ωmnを有する。従って、側辺Lの正方形ボックスのTMnm0モードに対して、正方形キャビティは、(ωmnL/πc)2=n2+m2の関係を有する。ここで、cは光速であり、(n,m)は(x,y)電界の横方向の変化に対する値である。電界は縦のz方向に均一にされる。n=m、ωmn=√2nπc/Lのとき、この種のモードは、調和関係にある固有周波数を有する。所望のモードがキャビティの中央でピークとなる電界を有するという場合、偶数値のnは変化されるべきではない。しかしながら、この種のモードで他のモードではない選択的な外部励起は、困難であり、各モードに対する別個の位相固定の高周波数源を、複雑な結合手法に加えて必要とすることもある。奇数調波モードだけの励起は、周波数ω11=√2πc/Lでキャビティの軸に沿って入射された一連の荷電バンチ(charge bunches)からなる駆動ビームを用いて、効果的に達成することができる。
正方形2ボックスキャビティは、2ビーム加速器に対する露出時間の減少を可能にする唯一の共振キャビティ寸法ではない。他の典型的例示では、中央の壁が取り除かれた2矩形(two-rectangular)ボックスキャビティを含み、各矩形は、1:1.291又は1:√(5/3)の長さ:幅の比を有する。従って、2ボックスキャビティの組み合わせた寸法は、2.582:1の横長:幅の比を有してもよい。さらに、2ボックスキャビティの組み合わせた寸法は、1:1.291の横長:幅の比を有してもよい。図19aは適切な寸法を有するシングルボックスを示し、図19bは中央の壁が取り除かれた図19aの寸法のデュアルボックスキャビティを示す。上述の同じ長さと幅の寸法を有する正方形キャビティは、一定のモードの組は多数の高調波の動作周波数を有する。1901は、駆動ビームと加速ビームが通過するキャビティのチャネル又は部分である。同様に、各々が個々に1:1.291の比を有する2ボックスの寸法を有するキャビティに関して、TMiiモード、例えば、TM11−f;TM13,TM22−2f;TM33−3f,TM51,TM44−4f;TM55−5f;TM39,TM66−6f;TM77−7f等は、高調波のモードを有することができる。モードTM22,TM44,TM66は、ビーム位置で零電界を有する。従って、これらのモードはビームと相互に作用はしない。本典型的例示では、奇数高調波だけでなく、すべての高調波が動作する。従って、動作スペクトルは、f、2f、3f、4f、…を含んでもよい。
他の実施形態は、円筒状で、軸対象のキャビティを含んでもよい。このタイプのキャビティは、正方形又は矩形のキャビティに起こる可能性がある、尖った角における電界増強を回避する。円筒状キャビティは、ファクターQの最大化と、製造の容易化を促進する。例えば、金属製の円筒状キャビティ等の円筒状キャビティを、旋盤上で組み立てることができる。図20a、図20b及び図21は、3つの軸対象の調和関係にあるモードを有する軸対称キャビティの実施態様を示す。このキャビティは、変形円筒状ピルボックスとして明細書に言及される。通常の平面の端壁は、正弦曲線を形成するプロファイルを描く。図20a及び図20bはそれぞれ、変形ピルボックス型キャビティの斜視図及び断面図を示す。
粒子ビーム、例えば、駆動ビームや加速ビーム等を搬送するとき、周期的集束装置又は機構は、衝突に必要な真っ直ぐで狭い経路を持続することを確実にするのに役立つ。従来の装置は、単一ビームを集束するために構築されていた。2ビーム加速器においては、2ビームは、例えば、互いから数cmに接近して位置付けられる。2つのビームが異なるエネルギーを有し、離れた領域を通過すると、異なる集束システムが離れたビームに適用される。基本的な高調波のS帯周波数のセクションは、各ビームを別々に集束するためにビームチャネルを分離する十分な空間を提供することができる。
図24は、上述したように、共振キャビティセット2405に、離調した駆動ビーム2403を送信する外部駆動ビーム源2401と、離調した加速ビーム2404を送信する外部加速ビーム源2402とを備える例示的加速器を示す。図7〜図9、図15〜図17及び図19と関連して述べたように、共振キャビティを寸法化することができる。キャビティセット2405は、周囲のポンピングマニホールド(pumping manifold)2406を有することを示す。特に、加速器は真空源を必要とし、キャビティセットを囲むポンピングマニホールドを介して真空源を提供することができる。例えば、図15及び図16に示した6つのピースの間のギャップは、周囲のマニホールドに通じることができる。これにより、加速器に沿ってポンピング機構用の付加的な空間の必要性を減少する。しかしながら、ポンピングマニホールドは他の場所に置かれてもよい。
本発明の加速装置及び加速方法の態様は、駆動ビームの速度に満たない加速チャネル中の位相速度で、いずれの方向にも粒子を加速できる離調共振キャビティを有することを含む。
態様はまた、コリニア(co-linear)2ビーム加速器を含み、駆動ビームと加速ビームは同じチャネルに沿って伝播する。粒子ビームは、一連の周期的で密な(tight)バンチとしてモデル化される。この例において、減速された駆動粒子バンチと加速粒子バンチはまた、明細書において、互いに関して共線的に(co-linearly)移動する「テストバンチ(test bunches)」と呼ばれる。駆動粒子バンチとテストバンチを、例えば、テストバンチが均一に駆動粒子バンチ間に交互に配置されるように、同じ周波数で入射することができる。
離調キャビティの励起は、同調されたキャビティに関して、通常の指数関数的なキャビティ電界の増加が重ね合わされた離調周波数の間隔で干渉ビートを有することを除き、充填時間(filling time)を含む。キャビティ充填時間の間に消えるエネルギーは効率の悪さを表し、そのエネルギーがなくなることは多くの用途に有益である。
図27a〜図27dは、変更電流率
例示的電子加速器は、n=1に対する固有周波数であるn次高調波のTM0n0類似モードを引き起こす、図20〜図22に示したキャビティと類似の銅により変形ピルボックス型キャビティを用いることができる。駆動ビームは、例えば100.8Aであり、加速ビームは、例えば4.8Aとしてもよい。14MWの平均出力を有する3.0TeVのc.o.m.コライダーの場合、1.5TeVの各加速ビームに対して、平均電流は9.33×10−6Aである。バンチの周波数は3.0GHz、ガウスのバンチ長さは15ps(4.5mm)、キャビティギャップ幅は3.65mm、そして、キャビティ間の壁の厚さは1mmとすることができる。150MV/mを超える加速勾配は、伝達比13:1及びビーム−ビーム出力転送効率60%を有する、キャビティの離調Δω/ω=0.9×10−3に対して予測される。従って、2.5GeVの駆動ビームは、約200mの有効長を有するセクションで、約30GeVで加速ビームエネルギーを増加させるはずである。50個のセクションは、10kmの総有効長で、1.5TeVに加速される。壁の損失は小さい。図28は、付加的な例示的パラメータを示す。
交互に並んだ離調キャビティ構造は、高電流電子駆動ビームと反対方向のlow-βの陽子ビームとの間で同期を提供することができる。例えば、中高変圧比を示すコリニア2ビーム加速器を用いることができ、コリニア2ビーム加速器は、効率を最大化し、費用を最小化する高出力電子駆動ビーム用のビームエネルギーを選択するときに柔軟性を提供する。例えば、10MW、1.0GeVの陽子駆動加速器を用いることができる。図29〜図31は、そのような陽子加速器の例示的実施態様のパラメータを示す。電子駆動電流は25.2A、陽子加速電流は2.4A、2.4GWの陽子パルス出力を与え、4.2×10−3の負荷ファクターが10MWの平均ビーム出力を与える。バンチの周波数を3.0GHzとし、がススバンチを15ps長としてもよい。表の説明文に記載されたように、キャビティの周波数を、Δω/ω値で交互に離調することができる。駆動バンチは8.4nCであると同時に、陽子のバンチは各々0.8nC、すなわち5×109陽子/バンチである。
マルチモードキャビティの利点と、例えばCLIC等の他の粒子加速器との比較に関する予測は、発明の名称を"MULTI-MODE, MULTI-FREQUENCY, TWO- BEAM ACCELERATING STRUCTURE"とする米国仮出願第61/146,581号と、"Two-Beam, Multi-Mode Detuned Accelerating Structure" by S. Yu. Kazakov, S. V. Kuzikov, V.P. Yakolev, and J. L. Hirshfield, 2009 American Institute of Physics 978-0-7354-0617-0/09, Advanced Accelerator Concepts 13th Workshop, pages 439-444に記載されており、それらの内容全体は参照することにより明細書に組み込まれる。
Claims (25)
- 駆動ビームを供給する駆動ビーム源と、
前記駆動ビームに平行な加速ビームを供給する加速ビーム源と、
前記駆動ビーム及び前記加速ビームの経路に配置された離調高調波キャビティとを備え、
前記駆動ビーム及び前記加速ビームの経路に垂直な前記キャビティの面は、前記駆動ビーム及び前記加速ビームがそれぞれ前記面を通過する入射位置及び出射位置に少なくとも一つの開口を有し、
前記離調高調波キャビティは、その共振周波数が、前記駆動ビームのバンチの周波数と異なる周波数に調整されたキャビティであることを特徴とする2ビーム加速器装置。 - 請求項1記載の2ビーム加速器装置であって、
前記離調キャビティは軸対称のキャビティであり、前記駆動ビーム及び前記加速ビームはコリニアであり、
前記キャビティは、前記駆動ビーム及び前記加速ビームの経路に垂直な前記キャビティの面に、前記キャビティの両側各々に一つの開口を有することを特徴とする2ビーム加速器装置。 - 請求項2記載の2ビーム加速器装置であって、
前記離調キャビティは、円筒状ピルボックス形状に対して径方向延出部を有するように変形された変形ピルボックス形状に形成され、前記径方向延出部の端壁は正弦曲線プロファイルで形成されていることを特徴とする2ビーム加速器装置。 - 請求項1記載の2ビーム加速器装置であって、
前記キャビティは6面の共振キャビティであり、
前記駆動ビーム及び前記加速ビームの経路に垂直な前記キャビティの面は、矩形で、かつ、前記駆動ビーム及び前記加速ビームがそれぞれ前記面と交わる位置に、第1開口及び第2開口を有し、
前記第1開口及び前記第2開口の中央は、前記面の長さの4分の1をdとする距離2dで長さ方向に離間され、最も接近する側壁から距離dで長さ方向に離間され、側壁間で幅方向に等しく離間されていることを特徴とする2ビーム加速器装置。 - 請求項1又は2記載の2ビーム加速器装置であって、
前記駆動ビームは、駆動ビーム電流と約90°位相がずれる駆動ビーム電圧を有し、
前記加速ビームは、前記駆動ビーム電圧と略同じ位相である加速ビーム電流と、前記駆動ビーム電流と約180°位相がずれる加速ビーム電圧とを有することを特徴とする2ビーム加速器装置。 - 請求項1記載の2ビーム加速器装置であって、
前記駆動ビーム及び前記加速ビームの経路に垂直な前記共振キャビティの面の長さと幅は、2:1又は2.582:1の比を有することを特徴とする2ビーム加速器装置。 - 請求項1又は2記載の2ビーム加速器装置であって、
前記共振キャビティは2〜4mmの範囲の厚さを有する壁を備えることを特徴とする2ビーム加速器装置。 - 請求項1又は2記載の2ビーム加速器装置であって、
前記共振キャビティは銅からなることを特徴とする2ビーム加速器装置。 - 請求項1又は2記載の2ビーム加速器装置であって、
複数の隣り合う共振キャビティを含むキャビティセットをさらに備えることを特徴とする2ビーム加速器装置。 - 請求項9記載の2ビーム加速器装置であって、
前記共振キャビティの各々は前記キャビティを形成するために結合する多数のピースからなり、
前記加速器は、
前記共振キャビティを形成するように各共振キャビティのピースを保持すると共に該共振キャビティの相互の位置を維持する保持デバイスと、
前記キャビティセットを囲むポンピングマニホールドとをさらに備えることを特徴とする2ビーム加速器装置。 - 請求項1又は2記載の2ビーム加速器装置であって、
前記2つのビームの進行方向に平行する前記キャビティの寸法が次のI2及びI3を最小化することを特徴とする2ビーム加速器装置。
- 請求項1記載の2ビーム加速器装置であって、
4つの磁石と、前記4つの磁石の中央にある中央経路と、前記4つの磁石の一つにある開口とを有する変形4極磁石をさらに備え、
前記開口は磁性材料でライニングされたチャネルを含むことを特徴とする2ビーム加速器装置。 - 粒子ビームを加速する方法であって、
駆動ビームを供給する工程と;
前記駆動ビームに平行な加速ビームを供給する工程と;
前記駆動ビーム及び前記加速ビームを、前記駆動ビーム及び前記加速ビームの経路に配置された離調高調波キャビティを通過させる工程とを備え、
前記駆動ビーム及び前記加速ビームの経路に垂直な前記キャビティの面は、前記駆動ビーム及び前記加速ビームがそれぞれ前記面を通過する位置で、前記キャビティの両側各々に少なくとも一つの開口を有し、
前記離調高調波キャビティは、その共振周波数が、前記駆動ビームのバンチの周波数と異なる周波数に調整されたキャビティであることを特徴とする方法。 - 請求項13記載の方法であって、
前記離調キャビティは軸対称のキャビティであり、前記駆動ビーム及び前記加速ビームはコリニアであり、
前記キャビティは、前記駆動ビーム及び前記加速ビームの経路に垂直な前記キャビティの面に、前記キャビティの両側各々に一つの開口を有することを特徴とする方法。 - 請求項14記載の方法であって、
前記離調キャビティは、円筒状ピルボックス形状に対して径方向延出部を有するように変形された変形ピルボックス形状に形成され、前記径方向延出部の端壁は正弦曲線プロファイルで形成されていることを特徴とする方法。 - 請求項13記載の方法であって、
前記キャビティは前記駆動ビーム及び前記加速ビームの経路に配置された6面の共振キャビティであり、
前記駆動ビーム及び前記加速ビームの経路に垂直な前記キャビティの面は、矩形で、かつ、前記駆動ビーム及び前記加速ビームがそれぞれ前記面を通過する位置に、第1開口及び第2開口を有し、
前記第1開口及び前記第2開口の中央は、前記面の長さの4分の1をdとする距離2dで長さ方向に離間され、最も接近する側壁から距離dで長さ方向に離間され、側壁間で幅方向に等しく離間されていることを特徴とする方法。 - 請求項13又は14記載の方法であって、
前記駆動ビームは、駆動ビーム電流と約90°位相がずれる駆動ビーム電圧を有し、
前記加速ビームは、前記駆動ビーム電圧と略同じ位相である加速ビーム電流と、前記駆動ビーム電流と約180°位相がずれる加速ビーム電圧とを有することを特徴とする方法。 - 請求項13又は14記載の方法であって、
前記駆動ビーム及び前記加速ビームを、互いに隣り合うように配置された複数の共振キャビティを含むキャビティセットを通過させる工程をさらに備えることを特徴とする方法。 - 請求項13記載の方法であって、
前記駆動ビーム及び前記加速ビームを、4つの磁石の一つにある、磁性材料でライニングされるチャネルを含む開口を有する変形4極磁石を通過させる工程をさらに備え、
前記駆動ビーム及び前記加速ビームを、変形4極磁石を通過させる工程は、
前記駆動ビーム及び前記加速ビームの一方を、前記4極磁石の前記中央を通過させ、かつ、前記駆動ビーム及び前記加速ビームの他方を、前記磁石の開口にライニングされたチャネルを通過させることを含むことを特徴とする方法。 - 請求項13又は14記載の方法であって、
前記駆動ビーム及び前記加速ビームを同じ方向に駆動する工程をさらに備えることを特徴とする方法。 - 請求項13又は14記載の方法であって、
前記駆動ビーム及び前記加速ビームを反対方向に駆動する工程をさらに備えることを特徴とする方法。 - 請求項13又は14記載の方法であって、
前記離調キャビティを励起するとき、前記駆動ビームで位相固定された先行パルス駆動ビーム電流を駆動することにより、前記キャビティが初期励起から定常状態に達するまでの時間である充填時間を減少する工程をさらに備えることを特徴とする方法。 - 請求項13又は14記載の方法であって、
前記離調キャビティを励起するとき、前記駆動ビームのビームプロファイルの振幅と位相の少なくとも一つを変更することにより、前記キャビティが初期励起から定常状態に達するまでの時間である充填時間を減少する工程をさらに備えることを特徴とする方法。 - 変形4極磁石を備える、第1粒子ビーム及び第2粒子ビームを有する2ビーム粒子加速器の集束装置であって、
前記変形4極磁石は、
4つの磁石と;
中央の開口と;
前記第1粒子ビームを通過させるように構成された前記中央の開口中のチャネルと;
前記チャネルを囲む非磁性材料と;
前記4つの磁石の一つにある開口と;
前記第2粒子ビームを通過させるように構成された前記磁石にある開口中の第2チャネルと;
前記第2チャネルを囲む非磁性材料と;
前記第2チャネルの非磁性材料の内側をライニングする磁性材料とを含むことを特徴とする集束装置。 - 第1粒子ビーム及び第2粒子ビームを有する2ビーム粒子加速器のビームを集束する方法であって、
4つの磁石と;中央の開口と;前記中央の開口中のチャネルと;前記チャネルを囲む非磁性材料と;前記4つの磁石の一つにある開口と;前記磁石にある開口中の第2チャネルと;前記第2チャネルを囲む非磁性材料と;前記第2チャネルの非磁性材料の内側をライニングする磁性材料とを含む第1の変形4極磁石を供給する工程と、
同時に、前記第1の変形4極磁石において、前記第1粒子ビームを、前記中央の開口を通過させ、前記第2粒子ビームを、前記第2チャネルを通過させる工程と、
前記第1の変形4極磁石と直列な、第2及び第3の変形4極磁石を供給する工程と、
前記第1粒子ビームを、前記第2及び第3の変形4極磁石の中央の開口中のチャネルを通過させる工程と、
前記第2粒子ビームを、前記第2及び第3の変形4極磁石の第2チャネルを通過させる工程とを備えることを特徴とする方法。
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