Investigations on particle dynamics in a high intensity heavy ion linac for inertial fusion

  • A strong interest is currently going on in the physics of high intensity and high energy beams: intense proton or deuteron beams are required in various fields of science and industry, including sources of neutrons for research experiments and material processing, nuclear physics experiments, tritium production and nuclear waste transmutation. High current heavy ion beams are envisaged for power production facilities (inertial fusion). Several projects presently under study are based on rf linacs as driver, sometimes followed by accumulation and/or compressor rings [Acc98]. The critical issue for all of them is to be operated in a low loss regime, because of activation problems in the structure. For this reason careful investigations have to be performed in order to understand and control the beam behaviour, aiming at conserving the beam quality, reducing the emittance growth and filamentation and avoiding the formation of halo. The beam current to be accelerated is actually limited by the amount of beam losses, which depends upon the beam halo: in order to reduce induced radioactivity and to allow for hands-on maintenance, normally losses <1 W/m are considered as acceptable [Sto96]. One of the major facilities under study is the European Spallation Source (ESS), a project based on a H- linac accelerating a 107 mA peak current beam (360 ns pulse in the DTL) and on two compressor rings, producing 5 MW average beam power [ESS]. Also the USA are developing a proposal for a Spallation Neutron Source (SNS), providing a short pulse H- beam with average power of 1÷2 MW; a 30 mA linac is required [SNS]. The Accelerator for Production of Tritium (APT), studied at Los Alamos, requires a 100 mA proton beam current (cw) to produce a power of 130÷170 MW [APT]. A similar but smaller accelerator (40 mA, 40 MW beam power) would serve as driver for the Accelerator Driven Transmutation of Waste (ADTW) system [ATW]. The accelerator system for the International Fusion Material Irradiation Facility (IFMIF) will test the behaviour of materials to be used for magnetic fusion (e.g. ITER); it consists of two 125 mA deuteron beams in parallel, to generate a fusion-like neutron spectrum with 10 MW cw [IFM]. In the field of heavy ions, for about 20 years scientists have been working on inertial confinement fusion, as an alternative to magnetic confinement one, to find a practical and cleaner method for producing energy. Nuclear fusion occurs when the nuclei of lighter elements (in a state of matter called "plasma") merge to form heavier elements; the extremely high temperatures and densities needed to get the nuclei to collide in the proper way and release big amounts of energy are obtained in a small "pellet" of fusion fuel, which receives energy from laser or ion beams, implodes and its inertia compresses it hard enough to hold together the plasma until it reaches ignition. Both laser and accelerator facilities have been investigated as drivers, since a demonstration of ignition at low gains is more easily accessible by lasers, whereas the intrinsic properties of accelerators -efficiency and repetition rate- will be essential for a medium-gain power plant. One study for a fusion power system driven by heavy ion beams (HIBALL) was completed in Europe already in 1982 [Bad81]. When the USA declassified essential information on pellet design, "indirect drive" targets have been considered openly, where the pellet is hit by X-rays generated from laser or ion beams rather than directly from the beams. Main progress has been achieved during the latest years in the understanding of pellet dynamics after ignition, i.e. in plasma physics [Sym1][Sym2][Sym3][Bas97][Lut97], imposing also new requirements on the layout of the driver accelerator facilities. In 1994-95 Frankfurt University and several other European laboratories (leaded by GSI) started a new collaboration called HIDIF (Heavy Ion Driven Ignition Facility) in order to simplify the accelerator plant design owing to the new technique of indirectly driven targets and to some technological improvements. First studies were oriented towards the conceptual goal of a facility providing just enough beam energy for the ignition of fusion reactions at very low gain (a "proof of principle") [Hof98]. In a recent phase of the study, it was realized that the proposed concept would make this scheme a more appropriate choice for energy production rather than for ignition; the acronym HIDIF was therefore intended as Heavy Ion Driven Inertial Fusion, and the parameters are going to be modified accordingly [Hof96][Hof97][Hof98]. The scenario presently discussed by this group proposes the formation and acceleration of an intense beam (400 mA) of singly charged heavy ions of three different atomic species, with mass differences of about 10% (the reference one is 209Bi+) in a main rf linac; they are then injected into some storage rings at an energy of 50 MeV/u, bunched in induction linacs and finally transported to a target with different velocities in such a way that the three species merge on the pellet ("telescoping") at 500 TW peak power. In this thesis the main linac of the HIDIF proposal is extensively investigated as an example of a high intensity heavy ion linac. Results are presented from numerical simulations of multi-particle beam dynamics carried out for the first time in this context. After a short presentation of the HIDIF reference scenario (Ignition Facility), including a discussion of the motivations for a high current heavy ion linac, some elements of the theory of beam transport and acceleration are recalled [Con91][Hof82][Kap85] [Lap87][Law88][Mit78][Rei94][Str83]. Then the used simulation programs are described, and a particle dynamics layout of a conventional 200 MHz Alvarez DTL is discussed with respect to low emittance growth at high transmission, including large space-charge effects, taking into account the influence of different kinds of statistical errors and of input mismatch on the beam dynamics. The modifications needed for "telescoping" are investigated with simulations for the nominal mass difference (10%) and for a smaller one (5%); finally the transfer line between DTL and rings is discussed and studied both analytically and by numerical calculations. The large mass number (A= 209) helps to reduce the space-charge effects with respect to protons, therefore the behaviour of the beam is not space-charge dominated. Nevertheless the tune depression values (similar to those of the ESS linac e.g.) indicate that these effects cannot be neglected. For a linac with low duty cycle, as in the case of an ignition facility, the results from particle dynamics calculations can be considered as a reliable guideline for the DTL layout, since they indicate that such a high intensity linac can fulfill the requirements on smooth beam behaviour and low losses.
  • Die Physik intensiver Ionenstrahlen wird zur Zeit für verschiedene neue Hochstrom- und Hochenergie-Beschleunigeranlagen untersucht. Ein kritischer Punkt ist dabei die Minimierung der Strahlverluste, um die Aktivierung der Beschleunigerstruktur zu verhindern und die Wartung zu ermöglichen. Deshalb müssen sorgfältige Untersuchungen ausgeführt werden, um das Verhalten des Ionenstrahls zu verstehen sowie seine Eigenschaften zu kontrollieren; insbesondere sind das Emittanzwachstum und die Filamentierung zu reduzieren und die Halobildung zu vermeiden. Die internationale HIDIF-Studiengruppe (Heavy Ion Driven Ignition Facility) nahm 1994 unter der Federführung der GSI die Untersuchungen zur Machbarkeit einer Schwerionen-Beschleunigeranlage zur Inertiale Fusion wieder auf, nachdem neue zuverlässigere Daten über Zündung und Abbrennen eines indirekt getriebenen DT-Pellets vorlagen. Es wurde der Entwurf einer Anlage bestehend aus HF-Linacs, Speicherringen und Induktionslinacs zur Erzeugung von Strahlen hoher Intensität, hoher Energie und einer vorgegebenen Zeitstruktur erarbeitet. Der wesentliche Inhalt der Dissertation befaßt sich mit einem HF-Hauptbeschleuniger (DTL) vom Alvarez-Typ, der einen Strahl von hoher Qualität (niedriges Emittanzwachstum bei hoher Transmission) liefern muß. Das Strahlverhalten im DTL wurde durch numerische Vielteilchen-Strahldynamik-Berechnungen erstmals umfassend untersucht, um sicher zu stellen, daß die HIDIF-Projektanforderungen an die Teilchendynamik erfüllt werden können. Die Untersuchungen befassen sich mit der Wahl der passenden Beschleuniger-Parameter: ein Strom von 400 mA einfach geladener 209Bi+ Ionen (der aus mehreren Quellen gebildet werden) muß stabil beschleunigt und fokussiert werden, hieraus ergab sich eine Frequenz von 200 MHz, ein 5F5D-Fokussierschema und eine Anfangsenergie von 10 MeV/Ion. Bei einer vorgegebenen Endenergie von 50 MeV/Ion ist bei einer konventionell angenommen beschleunigenden elektrischen Feldstärke von 3 MV/m der Linac 3 km lang. Der Strahl wird dann in einer Transportstrecke "debuncht" und in mehrere Speicherringe eingeschossen, in Induktionlinacs zeitlich komprimiert ("bunching") und mit 500 TW Spitzenleistung auf ein Target transportiert. Im fehlerfreien Fall ist das Emittanzwachstum des Strahls während der Beschleunigung klein, und es entsteht fast kein Halo. Dadurch können die Eingangsemittanzen ("Waterbag"-Verteilungen) so gewählt werden, daß sie in der Nähe der erlaubten maximalen Ausgangsemittanzen liegen, die von den Forderungen für eine verlustarme Ringinjektion (bgefull = 1.26 p mm mrad, dp/p < 10-4) bestimmt werden. Hierdurch kann das maximal erlaubte Emittanzwachstum zwischen den Ionenquellen und dem DTL im Injektor mit 4 Funnelschritten auf etwa einen Faktor 8 vergrößert werden, unter Annahme einer geringen Filamentierung des belegten Phasenraumvolumens. Im Vergleich zu Protonen hilft die hohe Masse der Ionen dabei, die Raumladungseffekte zu vermindern: Das Strahlverhalten ist nicht raumladungsdominiert, was sich als ein großer Vorteil für das Emittanzwachstum und die Halobildung erweist. Trotzdem zeigen die Werte der "Tune depression", daß die Raumladung nicht vernachlässigt werden darf. Zur Überprüfung der Stabilität des Strahls werden die Auswirkungen von statistischen Fehlern und Eingangsfehlanpassungen untersucht. Für das elektrische HF-Feld wurden Fehler von ±1% für die Amplitude und ±1o für die Phase verwendet; das Strahlverhalten entlang des Linacs ist trotzdem sehr stabil. Es werden kleine Schwankungen eines gut eingeschlossenen Bunches um seine Solllage herum beobachtet. Obwohl ein phasen- oder energieverschobener Bunch eine größere Fläche in der longitudinalen Ebene am Linac-Ausgang belegt, spielt das für die Ringinjektion nur eine kleine Rolle, da die nachfolgende Transportstrecke diesen Effekt vermindert. Ein größeres Problem stellt die Justierung der Quadrupole in den Driftröhren und die Stabilität ihrer Felder dar: Wegen ihrer großen Zahl sollen die Gradientenfehler den kleinen Wert von ±0,2% nicht überschreiten. Dies ist ein wichtiges, nicht erwartetes Resultat. Kann ein solcher kleiner Fehler nicht erreicht werden und wird ein konventioneller Wert von ±1% angenommen, muß versucht werden, den Strahl an einigen Positionen entlang des Linacs erneut anzupassen. Da eine realistische Ausgangsemittanz des Injektorteils nicht vorlag, wurden verschiedene Eingangsemittanzen und Verteilungen (mit verschiedenen Verhältnis von Gesamt-zu-rms-Emittanz) für die Rechnungen angenommen: Die Effekte sind unbedeutend, solange der Strahl angepaßt ist. Der Einfluß von Stromschwankungen um ±10% auf die Teilchendynamik ist ebenfalls unkritisch. Für einen fehlangepaßten Strahl konnte wegen der kleinen Beschleunigungsrate ein Modell für einen periodischen Fokussierungskanal angewandt werden: Die 3 vorhergesagten Eigenmoden wurden gut identifiziert. Das Strahlverhalten ändert sich für eine Fehlanpassung von 20% nur gering; ein höheres Emittanzwachstum und gelegentliche Halobildung werden insbesondere in der longitudinalen Ebene festgestellt. Deshalb soll die Eingangsfehlanpassung ±10% für jeden Eigenmode für die hier angenommene Emittanz nicht überschreiten, sonst sind kleinere rms-Emittanzen am Linac-Eingang (und aufwärts im "Funnel"-Teil) nötig, um ein größeres Wachstum zu erlauben. Eine anfängliche 3 mm-Verschiebung von der Strahlachse weg führt zu stabilen Schwankungen um die Achse herum, wobei der Strahl gut eingeschlossen bleibt. Da der verschobene Bunch eine größere Fläche in der transversalen Ebene am Linac-Ausgang belegt, müssen diese Fehler korrigiert oder kleinere angenommen werden. Im fehlerfreien Fall füllt der Strahlradius etwa die Hälfte der freien 16 mm-Öffnung; für die obengenannten Fehler liegt das äußerste Makroteilchen nie weiter als 12 mm von der Achse entfernt. Um die Einschränkungen bei der Strahlkomprimierung durch Liouvillesche Satz zu verringern, ist der Einsatz von zwei weiteren Ionensorten mit etwa ±10%-Masse-unterschied (z. B. 187Re+ und 232Th+) und verschiedenen Geschwindigkeiten geplant: Sie überlagern sich auf dem Pellet ohne Emittanzwachstum ("Telescoping"). Es wurde durch Simulationen untersucht, welche Veränderungen an Geometrie und Feldern für das "Telescoping" notwendig werden. Ein wichtiges Resultat ist es, daß diese Option jedoch zu großen technischen Problemen und schlechtem Strahlverhalten führt, selbst wenn man zur kleineren Masseunterschied (±5%) geht. Diese Betriebsart einer HIDIF-Anlage scheint daher für den hier untersuchten DTL nicht möglich zu sein. Um die Impulsunschärfe des Strahls für eine verlustfreie Ringinjektion zu verringern, ist eine kurze (170 m) Strahltransportstrecke zwischen dem DTL und den Ringen nötig, wobei der Strahl "debuncht" und in der longitudinalen Ebene gedreht wird. Die analytischen Berechnungen und Strahldynamik-Simulationen beweisen, daß auch mit allen angenommen Fehlern die Teilchen innerhalb der geforderten Impulsunschärfe dp/p < 10-4 für die Ringinjektion liegen. Teilchendynamik-Simulationen (inklusive der Raumsladungseffekte) zeigen, daß ein konventioneller DTL vom Alvarez-Typ eine gute Lösung darstellt; der technische Aufbau des Linacs ist jedoch z. B. wegen seiner großen Länge und der zahlreichen Driftröhren noch offen. Die Berechnungen wurden wegen der begrenzten verfügbaren Computerleistung mit höchstens 20.000 Makroteilchen durchgeführt. In jedem Fall (auch für kombinierte Wirkungen von verschiedenen Fehlern) wurde kein Makroteilchen verloren, d. h. Strahlverluste < 5´10-5 wurden erreicht. Für eine Zündanlage (niedriger "Duty-cycle") sind diese Ergebnisse eine zuverlässige Richtlinie für einen Hochstrom-DTL: Die Höhe des notwendigen elektrischen HF-Felds und des magnetischen Feldes der Quadrupole sind Stand der Technik, und die Shuntimpedanz ist hoch genug, um eine gute Linac-Effizienz zu erlauben. Für eine Anlage mit hoher Einschaltdauer, wie z. B. für die Energieproduktion erforderlich, müssen höhere Sicherheitsmargen eingebaut und Rechnungen mit 107÷108 Teilchen durchgeführt werden, um die erlaubten Verluste von 10-7/m sicher abschätzen zu können. Aufgrund der hier erzielten Ergebnisse erscheint dies jedoch ohne größe Änderungen an der Auslegung des Linearbeschleunigers erreichbar zu sein.

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Author:Giovanni Parisi
Referee:Horst Klein
Document Type:Doctoral Thesis
Date of Publication (online):2005/10/31
Year of first Publication:1999
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:1999/12/17
Release Date:2005/10/31
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Institutes:Physik / Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
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