Analysis of beam envelope by transverse space charge effect

縦方向空間荷電効果によるビーム包絡線解析

遠山 伸一  

Toyama, Shinichi

ビーム発散を防ぐため、大電流加速器では空間荷電効果を見積もることが重要である。前回のレポートでは、ビームの膨れ評価に非加速のビーム(コースティングビーム)包絡線方程式を用いた。これに替わって、より一般的な加速系での空間荷電効果を含むビームの評価は今後予定される大電流CW電子線形加速器の試験で重要である。そのため、解析の基本式である包絡線方程式の加速ビームへの一般化、パラメータの定義を行う。これによる評価は、本格的なコード計算の準備や解の予想を十分な精度で確保できるものとする。得られた 非線形の放絡線方程式を、精度が確保できるソフトウエアを用いてパーソナルコンピュータ上で数値計算する。パラメータは、電子ビームエミッタンス、電流及びエネルギーである。計算の結果により、ビームの横方向発散は、設計値では十分に小さいことが分った。ビームの拡がりは設計ビームエミッタンスの寄与が殆どである。100MeVでは、縦方向の空間荷電効果は無視できる。よって、RF供給等の問題を別として、PNCの加速構造で10Aまで縦方向空間荷電効果は大きな問題にならない。今後は、残されているビームバンチ効果を評価することが重要である。

It is important for high current accelerators to estimate the contribution of the space charge effect to keep the beam of its beak up, The application of an envelope equation is examined in previous report in which the beam is just coasting beam (non accelerating). The analysis of space charge effect is necessary for the comparison in coming accelerator test in PNC. In order to evaluate the beam behavior in high current, the beam dynamics and beam parameters which are input to the equation for the evaluation are developed and make it ready to estimate the beam transverse dynamics by the space charge. The estimate needs to have enough accuracy for advanced code calculation. After the preparation of the analytic expression of transverse motion, the non-linear differential equation of beam dynamics is solved by a numerical method on a personal computer. The beam envelope fFom the equation is estimated by means of the beam emittance, current and energy. The result from the analysis shows that the transverse beam broadening is scaresely small around the beam current value of PNC design. The contribution to the beam broadening of PNC linac comes from its beam emittance. The beam broadening in 100 MeV case is almost negligible in the view of transverse space charge effect. Therefore, the electron beam is stable up to 10 A order in PNC linac design. Of course, the problem for RF supply is out of consideration here. It is important to estimate other longitudinal effect such as beam bunch effect which is lasting unevaluated.