Field tuning of a radio-frequency quadrupole using full 3D modeling

3次元フルモデルRFシミュレーションによる高周波四重極空洞の電磁場チューニング

森下 卓俊  ; 近藤 恭弘   ; 小栗 英知  ; 長谷川 和男; 大谷 将士*

Morishita, Takatoshi; Kondo, Yasuhiro; Oguri, Hidetomo; Hasegawa, Kazuo; Otani, Masashi*

高周波四重極(RFQ)はJ-PARCリニアックの初段部において0.05MeVから3MeVまでのビーム加速に用いられている。平成29年度、予備機として新たなRFQを製作した。本機は電極長手方向の電圧分布に勾配を持たせることで加速効率を向上させる設計を採用したことが特徴である。今回、RF設計に複雑な曲面を含むフルモデルでの3次元RFシミュレーションを導入することで、空洞の断面形状を長手方向滑らかに変化させる3次元的な空洞RF形状設計と、空洞端部の形状設計も総合した最適化が可能となった。製作の最終段階におけるチューニングも3Dモデルから得られたチューナー応答に基づいて実施され、設計通りの電圧分布に短期間で調整することができた。

The radio-frequency quadrupole (RFQ) is operating in the frontend of the J-PARC linac to accelerates 50-mA negative hydrogen beams from 0.05 MeV to 3 MeV. As a backup, the spare RFQ has been fabricated in 2018. The vane-voltage ramping is adopted to improve the acceleration efficiency so that the cross-sectional shape is adjusted longitudinally to produce the designed voltage distribution. Then, the three-dimensional cavity models including modulations and cutbacks were created in CST Micro-Wave Studio. The vane-base widths and cutback depths were optimized to produce the desired vane-voltage distribution. In the final tuning, the insertion depths of the stub turners were also determined based on the tuner responses obtained from the full 3D models.