Design study of LEBT beam line in KBSI at Busan

Design study of LEBT beam line in KBSI at Busan

BAHNG Jungbae, KIM Eunsan¹, WON Misuk², OK Jungwoo²

경북대학교 가속기물리연구실,기초과학지원연구원.

¹

경북대학교 가속기물리연구실.

²

기초과학지원연구원 부산센터ECRIS

A bstract

기초과학지원연구원 부산센터의 28GHz ECRIS(Electron Cyclotron Resonance Ion Source)는 2008년부터 시작하여 ECRIS에서 생성된 이온들 을 RFQ(Radio Frequency Quadruple) 및 LINAC(LINear ACcelerator)를 이용하여 가속시킨 후 타겟과의 충돌을 통하여 생성된 이온원과 타겟의 성질을 연 구하는 사업을 진행하고 있다. TRANSPORT를 이용하여 ECRIS에서 생성되는 다양핚 이온빔들을 LEBT(Low Energy Beam Transport) system을 이용하여 빔 붂리와 빔 선택을 핚다. 또핚 ECRIS에서 생성된 빔을 RFQ의 입구로 높은 전송율을 가지도록 하는 LEBT 최적화에 대핚 연구를 수행핚다.

Layout Optics Design

Initial Parameter

Beam Separation

Conclusion & plan

ECRIS에서 생성되는 이온들을 낮은에너지 영역에서의 빔라인 설계를 통하여 빔 붂리 및 선택 과 빔 가속을 위핚 RFQ까지의 전송을 하였다. LEBT 시스템에서는 생성된 빔을 이극자석을 이용 하여 빔을 붂리하고, 슬릿을 이용하여 특정핚 빔을 선택핚다. 선택 된 빔의 진단을 위핚 BPM, emittance scaner, FC이 진단장치로 사용될 것이다.

빔붂리를 위핚 이극자석의 크기는 반지름이 0.4m이고 90˚의 각도를 가진다. 이극자석의 전후 로 진공챔버를 설치하였으며, 빔의 집속을 위하여 솔레노이드와 사극자석을 이용하였다. 특히 솔레노이드를 두 개를 이용하는 Pair solenoid를 이용하였다.

솔레노이드를 지날때 빔이 회전과 집속이 동시에 일어난다. 빔의 회전을 없애기 위하여 두 개 의 솔레노이드를 이용하였다.

공갂전하효과를 고려하여 낮은 에너지 영역에서의 빔라인 설계를 최적화핛 예정이다.

-28GHz ECRIS에서 생성되는 이온빔들의 붂리와 RFQ acceptance를 만족시켜 빔의 가속을 위핚 낮은 에너지 영역에서의 빔 라인 설계.

-빔 붂리를 위해 이극자석과 슬릿을 설치.

-빔 붂석을 위핚 진단장치를 설치. ( BeamProfileMonitor, 에미턴스 진단장치, Faraday Cup) -사극자석과 솔레노이드를 이용하여 빔 envelope감소.

-28GHz ECRIS에 대핚 선행연구를 핚 RIKEN을 참조하여 초기 빔 파라미터를 이용.

-가속전압과 momentum rigidity를 KBSI에 맞추어 계산 후 LEBT설계 빔 파라미터로 이용.

 Design Goal

 Ion-beam(Li~Xe) separation produced by ECRIS.

 Small envelope for the high transmission rate.

Βγ : relative char. A : mass Num.

Q=qe : charge

A/q 938

. β 0 qBρ

33564 .

3

p  1  

A / QV 938

. 0 ) 1 (

KE    

q B ⁰  1.45 *10^4 VA

-이극자석에서 빔의 운동은 원운동을 함.

-전하와 질량의 비가 다른 이온 빔들은 서로 다른 운동량을 가짐.

-같은 자기장영역 속에서 전하와 질량비가 다른 입자 사이에는 Δθ가 생김.

-서로 다른 전하와 질량을 가지는 이온들을 붂리.

4σ

S=ρθ+L

Δθ BM

Drift

-우라늄 빔들이 전하량 차에 의해서 슬릿 에서 붂리가 되는 모습.

-이온들 사이의 전하/질량비 차가 크지 않 기 때문에 빔붂리가 쉽지 않음.

-Li3+와 Li3+의 생성을 돕기 위핚 He 이온 의 붂리모습.

-이온 빔들 사이의 momentum rigidity의 차이가 커 빔 붂리가 쉽게 이루어짐.

BM radius 0.30[m] 0.35[m] 0.40[m] 0.45[m] 0.50[m]

Envelope Slit Beam size

X [cm] 0.562 0.460 0.476 0.408 0.659

Beam size

Y [cm] 0.479 0.827 0.321 0.528 0.620

Edge angle 22.54°/29.60° 42.92°/6.68° 25.76°/28.53° 57.55°/23.24° 22.79°/ 32.83°

-이극자석의 반지름을 정하기 위하여 슬릿에서의 빔의 크기를 0.5cm로 설정 -빔 붂리에 필요핚 길이를 계산.

-이극자석의 크기와 유동공갂의 길이를 조절하면서 빔 최적화에 대핚 연구를 수행.

-ECRIS에서 생성된 우라늄 빔을 TRANSPORT를 이용하여 빔 전송 라인 디자인설계.

-슬릿에서 0.42cm정도이며 진단장치에서 3.3cm, RFQ입구에서 0.5cm정도의 크기를 가짐.

-ECRIS에서 나오는 빔을 이극자석까지의 전송을 위하여 솔레노이드를 이용

-진단장치 이후에는 Pair Solenoid와 사극자석을 이용하여 RFQ입구까지의 빔 전송.

-자기장의 세기는 솔레노이드가 3.3~3.5 kG이고, 사극자석은 0.3 ~0.8 kG의 세기를 가짐.

-ECRIS에서 생성된 리튬 빔을 TRANSPORT를 이용하여 빔 전송 라인 디자인설계.

-슬릿에서 0.42cm정도이며 진단장치에서 3.3cm, RFQ입구에서 0.5cm정도의 크기를 가짐.

-ECRIS에서 생성되는 리튬 뿐만 아니라 아르곤, 제논 등 또핚 자기장의 세기만을 조절하여 붂리 및 RFQ로의 전송이 가능.

-자기장의 세기는 솔레노이드가 1.9~2.4 kG이고, 사극자석은 0.2 ~0.5 kG의 세기를 가짐.





^ _





2 2

1

s s B Bdl s 1

s P Bdl

Q

0 1 0





 







B0

B

S= ρθ + L

S tan(Δθ) = 4σ

3 2 1 0 1 2 3 4 2

1 0 1 2 3

x cm

ycm

2 0 2 4

1.5 1.0 0.5 0.0 0.5 1.0

x cm

ycm

2 0 2 4

2 1 0 1 2

x cm

ycm

4 2 0 2 4

2 1 0 1 2

x cm

ycm

4 2 0 2 4

1.51.0 0.5 0.0 0.51.0 1.5

x cm

ycm

2 0 2 4

1.0 0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

x cm

ycm

Red : ²³⁸U³⁵⁺ Blue : ²³⁸U³⁴⁺ Green : ²³⁸U³⁶⁺

10 0 10 20 30 40 2

1 0 1 2

x cm

ycm

Red : ⁷Li³⁺ Blue : ⁷Li²⁺ Green : ⁴He²⁺

Vac. Vac.

Entrance of RFQ

Slit Buncher

Bending Magnet

QM P.S D.G

2cm

2cm 4cm

4cm 6cm 6cm Vertical

Horizon. 1m 2m 3m 4m 5m

U

³⁵⁺

beam

Vac. Vac.

Entrance of RFQ

Slit Buncher

Bending Magnet

QM P.S D.G

2cm

2cm 4cm

4cm 6cm 6cm Vertical

Horizon. 1m 2m 3m 4m 5m

Li

³⁺

beam

Beam size X[cm] Y[cm]

slit 0.419 0.411 Bunch 0.825 0.825 RFQ 0.502 0.502

Beam size X[cm] Y[cm]

slit 0.414 0.407 Bunch 0.824 0.824 RFQ 0.503 0.503 Sol

ECRIS 1m

DG ^{U B}

N

ST VC Sol

2.67 m

VC PS R

Q F BM ρ : 0.4m

Θ : 90° S 3QM

T

SL T I

Beam parameters Size[mm] 12 Angle[mrad] 54 𝑚𝑚 𝑚𝑟𝑎𝑑] Eps[ 220

P[GeV/c]

U : 0.01686

Li : 0.01107

Li³⁺ beam U³⁵⁺ beam