Analysis of beam acceleration and instability on TWRR accelerator structure in PNC by beam-cavity interaction

進行波還流型加速管のビーム-空洞相互作用を考慮した加速特性と不安定性の解析

遠山 伸一  

Toyama, Shinichi

大電流の安定加速では、ビーム発散を防止するため、荷電効果を考慮に入れることが重要である。現在動燃で開発が進められている大電流電子線形加速器は、ビーム発散閾値を小さくし、また観測された際には加速器を抑制して、ビーム発散の抑制を実験的に研究することを目的としている。今までの解析では、荷電効果によるビーム方向垂直面の発散力を数値解析し、1アンペアの電流までビーム発散が生じないことが分かっている。今回の報告では、ビーム電流による荷電効果を考慮したビーム進行方向の加速特性を解析した。まず、進行波と定在波両者の加速特性の解析式を求め、エネルギー変換効率や加速利得が計算される。次に、進行波と定在波構造の特徴を長さ1mの加速管を基準に比較する。その後、加速管の運転周波数の決定のために、エネルギー変換効率の観点からRF(高周波)加速周波数の最適化について議論する。最後に、エネルギー変換効率や加速利得の観点で、進行波還流型加速管(TWRRと呼ばれる)の特性が進行波と定在波の長所を持つことを示し、ビーム発散の一つの原因であるビーム加速方向の誘導電界をビーム-空洞相互作用から計算したロスパラメータから評価する。解析の結果、長さ1mの進行波還流型加速管は高効率が高く、ビーム進行方向のビーム発散の小さいことが分かった。今までのビーム方向垂直面の解析と併せて、全体のビーム発散も小さいことが分かった。

It is important for high current accelerators to estimate the contribution of the space charge effect to keep the beam off its beak up (BBU). The CW electron linac is designed in order to study BBU experimentally. The design is primary on the consideration which type of accelerator structure is suitable to reduce the BBU threshold, and how to observe and control BBU when it appears. The contribution of beam charge for the acceleration characteristics is surveyed by means of the comparison between traveling wave and standing wave structures in this report. At first, the characteristics of both traveling wave and standing wave structures are calculated analytically and the conversion efficiency and accelerator gain are presented. The merits and drawbacks are also mentioned concerning with unit accelerator length. Next, the choice of RF frequency on energy conversion is mentioned as independent matter of the types of accelerator structure. After that, the characteristics of TWRR are described as the advanced accelerator structure compared with above structures. The effect of longitudinal induced field is estimated by means of the loss parameter. The result from the analysis shows that the unit accelerator length is 1 m to get high conversion ratio from RF to beam power and that the BBU for transverse component is small. Therefore, total BBU is expected small in the accelerator, for transverse BBU is already expected small in previous reports.