노선영, 장시원, 허애영, 김은산

Effect of the timing jitter in BPM

S-band BPM HFSS simulation dimension

194

252 Beam

pipe

Waveguide

Cavity

122 100

Dipole mode of cylindrical BPM

Resonant mode of cylindrical BPM

Design study of the S-band Beam Position Monitor

노선영, 장시원, 허애영, 김은산

경북대학교 물리학과

정영욱 , 박성희

한국 원자력 연구원 양자 빔 기반 방사선 연구 센터

Abstract

가속기 설비가 건설되면 빔의 위치, 빔의 위상, 빔 에너지의 세기 등을 진단하여 모니터링 할 수 있는 장치 설치가 요구 된다. 빔을 진단하는 장치 중에서 빔의 위치를 진단하는 빔 위치 모니터는 빔의 위치가 빔 중앙에서부터 얼마만큼 벗어나는 지를 출력 전압(빔의 위치신호)의 변화를 확인하 여 빔의 위치를 파악하는 장치라고 할 수 있다.대표적인 빔 위치 모니터로 캐비티 Beam Position Monitor(BPM)가 있다. 캐비티 BPM의 모양은 크 게 원통형 캐비티와 직사각형 캐비티 BPM 으로 나눌 수 있는데, 원자력연구소(KAERI)의 캐비티 BPM의 설계는 원통형 캐비티 BPM으로 설계되 었다

. HFSS를

이용하여 설계한 원자력

BPM의

시뮬레이션 결과 빔 파이프

50mm,

주파수는

2.804[GHz], Loaded quality factor

는

3115, transmission은 0.55, isolation은 -40[dB],

출력 전압은 0.040[mV], 감쇠시간은 177[ns]으로 설계되었다. 이번 물리학회에서 HFSS 프로그램을 이용 한 최적화 시킨 원자력 연구소 BPM의 설계 과정을 발표 할 것이다.

Beam Position Monitor

원통형

캐비티 BPM에서는 빔이 원통형 캐비티의 중심에서 벗어나는

정도가 출력전압(위치신호)에 비례하므로, 빔의 미세한 위치변화에도 출력전압을 관측 할 수 있는 BPM일수록 BPM의 성능평가 요소인 위치 분해능이 좋다고 할 수 있다. 캐비티 BPM은 나노 메터 단위까지의 위 치 분해능을 요구하는 고성능 BPM에 주로 이용 된다.

50

전기장 (Electric field) 자기장 (Magnetic field)

TM010 mode

f=2.03503[GHZ] TM110 (X di-pole)

f=2.82356[GHZ]

TM110 (Y di-pole) f=2.82345[GHZ]

TM120 mode f=4.59769[GHZ

]

TM110 (X di-pole) f=2.8043[GHZ]

50 61

8

29

14 Antenna

Waveguide

Cavity Beam

pipe

70 12

3 85

Unit: [mm]

BPM condition

•RF frequency= 2.801[GHz]

•Resonant frequency =2.8035[GHz]

•Micro beam space= 357[ps]

•Micro pulse charge= 14.28[pC]

•Micro pulse length= 10~20[ps]

•Total bunch length= 5[μs]

•Average current= 40[mA]

•Vertical beam size= 2~3[mm]

•Drift beam pipe= 45[mm]

Fabrication of S-band BPM

Mode f

₀

[GHz] Δf[GHz] S

₂₁

X-port 2.8043 0.0009 0.5545

Y-port 2.8045 0.0008 0.5533

Mode f

₀

[GHz] β Q

_L

Q

₀

Q

_ext

τ[ns] Vout[mV]

X-port 2.8043 1.25 3115 6994 5619 176 0.0381

Y-port 2.8045 1.24 3505 7847 6335 198 0.0359

Output signal for X-port

Q₀

t₀+Δt Q₀+ΔQ

t

t₀ =357 [ps]

Δt=3.57[ps]

(1 %) Q₀=14.28 [pC]

ΔQ = 0.14 [pC] (1 %) Beam offset : 100 μm

Beam offset : 10 μm

Mesh number=110,000

Conclusion

φ213에

높이가 약 130mm인 원자력 BPM은 마이크로트론에서 나오는

2.801GHz의 빔을

이용하여 공진 주파수가 2.8043GHz인 캐비티 BPM이

다. 출력전압은 0.04mV, 전송률은 0.55, isolation은 -40[dB] 감쇠시간은

180[ns]이다.

현재 원자력 BPM은 디자인 검토 및 제작이 진행 중에 있 으며 제작 이 후 RF test를 위한 측정 실험 장비가 요구 되고 Beam test 를 위해 electronics의 설계와 원자력 연구소에 설치가 필요 하다.

Before brazing After brazing

) sin(

2 ) exp(

2 )

exp(

) /

2 ( ^{2 ,0}

2 2 0

, ω φ

τ σ

ω ω

+

−

=

−

= t t

V c V

Q Q R

Z

V q ^z _{out out}

ext out