ビーム位置モニタの wakefield シミュレーション

COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY
ビーム位置モニタの wakefield シミュレーション
粒子加速器のピックアップ電極とキッカー電極はビームのオフセット検出に使用されます。検出した信号は
増幅され、同じターンに同一電極に印加されます。その結果、電界によって粒子の運動量に変化が生じ、粒
子の位置が変化します。
ピックアップ/キッカー電極のシミュレーションには下記の 2 通りの方法があります:
1.
電極を励起し、電界が荷電粒子に与える影響を評価します。これは電極をキッカーとして扱うことに
等しく、CST MW STUDIO(CST MWS)でシミュレーションを行うことができます。
2.
励起として荷電粒子ビームを使用します。粒子ビームに属する電界は、出力電圧に帰結する電極と結
合します。この動作はピックアップ電極とみなすことができます。
空洞ウェイブガイドモードが励起されることが無ければ、上記のアプローチはアンテナ定理の相反定理と関
連付けられます。
図 1 に示すピックアップ/キッカー電極モデルは、ドイツ国立重イオン研究所(GSI)の電子スピン共鳴装置
(ESR)に使用されているものと同様な 1/4 波長の電極です。シミュレーションに当たり、構造の半分をモデ
ル化し、残りの半分は対称条件を設定して表現します。図 2 に示すポート 1 と 2 はビーム管の外側に接して
います。ビーム管自体は非表示にしてあります。図中の青線と赤線はビーム軸を表します。
図 1:ピックアップ/キッカー電極の 1/2 部分
ビームはガウシアン波形を示します。図 2 には偏差、総電荷量、速度のような特性も表示されています。図
2 に明らかなように、ビームは超相対論的である必要はありません。
図 2:ピックアップシミュレーションのビーム特性
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1/4 波長の電極の周波数応答は、出力電圧をビームスペクトルに正規化することによって求められます。正規
化された出力結果を図 3 に示します。[1]のなかで理論的に予測された通り、周波数応答は正弦曲線的なふる
まいをみせます。また、ピックアップシミュレーションとキッカーシミュレーションの結果は、空洞ウェイ
ブガイドモードが確実に抑制されていれば一致するはずですが、図 3(右)はその通りとなっています。周
波数が高くなるにつれ、カットオフ周波数 fc の空洞ウェイブガイドモードに対応する差異が現れます。この
ウェイブガイドモードのために相反定理の有効性は損なわれ、2 つのシミュレーションの相互変換は不可と
なります。
図 3:正規化された電極出力と周波数の相関
バンチに対応する電界の絶対値を図 4 に示します。電極付近にはバンチ電界の、電極への結合が見られます。
電極において得られた電界は(図 1 に示す)ポート 1 と 2 でモニタされ、吸収されます。
図 4:運動荷電粒子バンチの電界の絶対値
まとめ:
CST PARTICLE STUDIO を使用したピックアップシミュレーションを紹介しました。キッカーシミュレーシ
ョンは CST MW STUDIO での実行が可能です。空洞ウェイブガイドモードが存在しないことを前提として、
2 つのシミュレーションの結果は相互変換が可能です。とはいえ、CST PARTICLE STUDIO ではこのような
(ほとんどの加速器では)非現実的な仮定に従わなくてもピックアップシミュレーションを実行でき、その
ことが特長となっています。
参考文献:
[1] P. Raabe: "Feldtheoretische Analyse von Detektoren und Ablenkeinheiten für die stochastische Strahlkühlung von
Teilchenstrahlen", VDI Fortschrittsberichte, Reihe 21, Nr. 128, 1993.
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