nlj§jhjef - inis.iaea.org

Nlj§JHJEF NATIONAAL INSTITUUT VOOR KERNFYSICA EN HOGE ENERGIEFYSICA

N / I K H ^ P - K - U'.KJO- ASa

Literatuur onderzoek naar Kickers en Septa voor de Amsterdam Pulse Stretcher

J. Kuijt en A. v. d. Linden

WiCiüiprajV-i'T | \ ( ) ! 5 ^

NIKHEF SECTIE-K POSTBUS 4395 , 1009 AJ AMSTERDAM

NI[|J||EF NATIONAAL INSTITUUT VOOR KERNFYSICA EN HOGE ENERGIEFYSICA



Afdelincsrapport UNO 158

NIKHEF SECTIE-K POSTBUS 4395 , 1009 AJ AMSTERDAM



Afdelingsrapport LINO 158

Kickers en septa Inhoudsopgave

bladzijde

samenvatting 1

1- inleiding

2- Specificaties 3 2.1 Beamlayout van de Injectielijn 3 2.2 Het injectie septum 4 2.3 De kicker specificatie's 4 2.4 Het extractie septum 5

3-Kickers 6 3.1 De luchtspoel kicker 8 3.2 De transmissielijn kicker 9 3.3 De CERN kicker 10 3.4 De electrostatische kicker 13

4-Vergelijkend literatuur onderzoek kickers 16 4.1 Resultaten literatuur onderzoek 16 4.2 Vergelijkend onderzoek 19

5-Septa 22 5.1 Septum magneten 22 5.2 Electrostatische septum 23

6-Conclusies 25

7 Volledige literatuurlijst 26

Kickers en Septa 1 Samenvatting

Het literatuur onderzoek naar kickers heeft een kwantitatief en kwalitatief beeld opgeleverd. Kwantitatief zijn specificaties van de bestudeerde ontwerpen verzameld. De UPDATE-kickers hebben als spec's o.a.: afbuighoek 2 mrad, pulsbreedte 2 us, daaltijd 70 ns, beschikbare lengte ca. 2 m. Een vergelijking heeft plaatsgevonden op basis van de karakteristieke parameters: de kick-sterkte (energie x hoek), de pulseigenschappen (pulsbreedte/daaltijd) en het benodigde piekvermogen. Het realiseren van de pulseigenschappen zal de grootste eisen opleggen aan het UPDATE- kicker ontwenx De vergelijking heeft opgeleverd dat aansluiting bestaat met een tweetal ferrietkicker ontwerpen (CERN- CPS en ELSA), de Los Alamos TEM-kicker en de elektrostatische kicker uit Saskatoon. Op grond van de relatieve eenvoud in constructie en pulsnetwerk uitvoering is als startpunt voor een ontwerpstudie gekozen voor de Saskatoon kicker. Oniwerpberekeningen gaan uit van een lengte van 1.6 m en een gap van 4 cm tussen twee vlakke platen met een spanr.ingsverschil van 50 kV.

Het literatuur-onderzoek naar septa heeft een beeld opgeleverd van septum magneten en elektrostatische draden array's. Het wachten is op specificaties voor de UPDATE-septa.

Summary

Literature search has yielded a qualitative and quantitative view on kickers. Quantatively specifications on designs in literature have been collected. The UPDATE-kickers have been given the following specs: deflection angle 2 mrad, pulsewidth 2 us, falltime 70 ns, available length about 2 m. Undertaken is a comparison of characteristic parameters: kick strength (energy x angle), pulse characteristics (pulsewidth/falltime) and required peak power. Realisation of the pulse characteristics will impose the greatest requirements on the UPDATE-kicker design. The comparison has shown coorespondence with two ferrite kicker designs (CERN-CPS and ELSA), the Los Alamos TEM-kicker and the electrostatic kicker from Saskatoon. On account of the relative simplicity of construction and pulse forming network the Saskatoon kicker has been chosen as the starting point for a design study. Design calculations will proceed from a length of 1.6 m and a gap of 4 cm between two parallel plates at a potential difference of 50 kV.

Litearture search on septa resulted in an overview on septum magnets and electrostatic wire septa. A design study is awaiting of specifications for the UPDATE-septa.

Kickers en '~ put Inleiding

1 Inleiding

De ontwilt . '>nq an kict tr *n septa, op te nemen in de injectie- en extrac:ielij> van de Amsterdar. i ^ e St etchei Ri.'g (AÜS) in het UPDATE-project, is binnen de G \ T gestart met het plec,tr van een Ikeratuv r o: lerzoek.

• Iet doel v m -a onderzoek »jstât in de eerste plaats uit het vastleggen van g gevens over kekers en septa, 7âis ontworpen getest ea'of in gebruik in andere labo»<itoria in de werelt*. het is vervolg 'i de bedoel' .^ d. îsen, die gesteld worden aar. de kickers en sep a in het LVDATE-proj^" 'e toets«? i at T de gegevens uit het literatuur r-nderzoek- Tevens moet het oncierzoe'/' inzichi geven u- i- i> Deilijkheden, alsmede de voor- en naaele.i, die d*, be* tudeerd-' -. •: apen ir r.t -••aku-ik met zich mee kunnen breiden. Op grond vai een inhoudelijke c-, kwir'itatiew vergeMjking moet een keuze bepaald worden voor de start van een ontwerp str 'ie, -/.odnr.ig f- \i voldoende aansluiting bestaat met bestaande ontwerpen.

Ruwweg u he ..-.atenaa; de-, gebruikt is voorde literatuur-studie op de volgende wijze vergaard:

- v„.rzame!'-n •. iu 1-tenituur birnci de GVT en het UPDATE-project, o ï. via Noji.i^r., R. Ma .5 en G.Luyckx,

- ErA-Qjf-st 1 ^ratui --oncLTzoekdoorJ.Kuijten N.Kuyl, literatuur op» evr.;: i er. vet/oiiield door N.Kuyl,

- natekken /an *e.er nties, voor zover aanwezig in de NIKHEF-K bibliotheek. Beic'e aute > i 2bLer ^cn dossier van de bestudeerde literatuur aangelegd

Eind ju'i Jr:>8 ;s hc 1 teratuiu onderzoek in een stroomversnelling terechtgekomen, omdat ter voorbere'inj* van e terne rapportage op korte termijn resultaten van het onderzoek beschikbaar moer v*n k men. Deze rapportage, in de vorm van een voordracht van PJ.T.Bn.ins,"a te; ov» staan var. de Technische Evaluatie Commissie UDATfc, heeft op 2C' augustus l<> .8 pfaatsge onden, Dii -apport geeft een gedetailleerder beeld van de resultaten van het litera-i; :r cadeuock, zoals afgerond ten tijde van de voordracht, en de daarui* voortvloeiende keuze voor de stan van een ontwerpstudie.

kickers en septa 3 Specificaties

2.1 De beam layout van de injectielijn

Volgens het rapport APS/88/01 A ziet de injectielijn van de puls stretcher er uit zoals in figuur 2.1 figuur 2.1: Beam layout injectielijn

ttI3UI3Dt![dsip \

Opmerking bij figuur 2.1: BPM betekent bundel positie monitor

0<j betekent correctie spoel

Het q pool rooster ligt \ ast, maar met de correctiespoelen en bundelpositie monitoren kan nog enigsinds geschoven worden.


Uit figuur 2.1 blijkt, dat we voor K t ongeveer 2 meter ruimte hebben en voor K2 zelfs 3,5 meter. De buighoek van beide kickers is 2 mrad, dus we kunnen twee dezelfde kickers maken die ieder maximaal twee meter lang mogen zijn. Hierbij moet er rekening gehouden worden met de mechanische inbouw van de kicker en met het feit dat er nogal hoge spanningen in de kicker kunnen optreden. Dit zorgt er voor dat de effectieve ruimte voor de kicker maar 1.60 meter is.

Voor de injectie hebben we waarschijnlijk ook twee meter ruimte, dus het electromagneusch injectie septum kan 2 meter lang worden

2.2 Het injectie seotum

Als consequentie'. -n de keuze voor extractie in het horizontale vlak van de Pulse Stretcher Ring is in het ontwerp van de Ring gekozen voor injectie van de bundel in het verticale vlak, zoals blijkt uit de NIKHEF-K-rapporten APS/88-01 en APS/ 88-02. Uit mondeling overleg met R.Maas is gebleken dat volgens het ontwerp van de APS de Ring hoger komt te liggen dan de versneller, wat neerkomt op injectie van onderaf.

Op dit moment zijn nog geen ontwerpspecificaties omtrent de injectielijn bekend. In het genoemde overleg is naar voren gekomen dat wordt gedacht aan een septum magneet, die de uit de versneller afgebogen bundel nog enkele graden afbuigt om de bundel in de Ring te krijgen. In verband met de positie van de septum magneet ten opzichte van de bundel in de ring mag het strooiveld enkele honderden Gauss bedragen en moet de vorm van de magneet mogelijk aangepast worden om doorgang aan de geinjecteerde bundel te geven.

Een uitvoering van het injectie septum in de vorm van een gepulste magneet kan worden overwogen om weerstands-dissipatie te reduceren.

2.3 De kicker specificaties

Er zijn twee rapporten waarin iets gezegt wordt over de injectie kickers. Rapport APS/88-01 en APS/88-02. Uit deze rapporten en een aantal gesprekken met R. Maas zijn de volgende specifïcatic's gedestileerd:

Vertikale displacement van closed orbit (Y richting) Ax = 14 mm

<p = 2 mrad -Bij een magnetische kicker moeten de polen dus vertikaal komen -De afstand tussen de polen van een magnetische kicker is 8 cm

-Bij een electrostatische kicker moeten de platen horizontaal komen. -De afstand tussen de platen van een electrostatische kicker is 3 è 4 cm

-Tijdens de kick bevind de bundel zich in het midden van de kicker

beschikbare lengte = 2.0 m effectieve lengte = 1.6 m «rise < 2Msec t fa]] < 70nsec pulsbreedte = 2,1 ^sec -flat top reproduceerbaarheid = 1 % -geüjkloop tussen de twee kickers is 1 % -Afstand tussen twee kickers is 27 m -injectie punt in het midden -puls tot puls amplitude jitter < \% -puls tot puls timing jitter < ??? -energie range = 0,2 .. 1.0 GeV


2.4 Het extractie senium

Het ontwerp van de extractielijn in het UPDATE-project is tot nu toe beperkt gebleven tot het gekromde deel hiervan , zoals beschreven in het rapport APS/88-01. Voor wat betreft de eerste componenten in de extractielijn zijn op dit moment nog geen ontwerpspecificaties bekend.

Op grond van de third integer resonance extractie methode moet rekening worden gehouden met verlies van bundel. Als eerste afbuigcomponent in de extractielijn wordt gedacht aan een extractie septum in de vorm van een electrostattsch septum. De dikte van het septum aan de zijde van de te extraheren bundel bepaalt de grootte van de verliezen. In het overleg met R.Maas is voorlopig naar voren gekomen dat een maximaal verlies van 1-1.5 % wenselijk lijkt. Dit zou neerkomen op een effectieve dikte van het septum van 0.1 mm.

Voor de verdere afbuiging van de geëxtraheerde bundel naar de verderop gelegen delen van de extractielijn wordt gedacht aan septum magneten, vergelijkbaar met het injectie septum.

kickers en septa 6 Kickers

1 K'^ers

Electronen kunnen zowel electromagnetisch als electrostatisch worden afgebogen.

E . sin <p = F . 1

E is de energie van het electron in electronvolt (p is de afbuighoek in radialen F is de kracht op het electron in newton 1 is de lengte in meter

voor kleine hoeken geldt: sin tp = (p

Nu eerst de electromagnetische afbuiging. De kracht op een electron bedraagt:

F = B . q . c

6 is de magnetische inductie in tesla q is de lading van het electron in volt Dus:

E . <p = B . q. c. 1

<p. E B q. c. 1

Het magneetveld per lengte voor de APS is:

„ , 10 9 . 2 . 10"3 ^ , trt-3 „, B.l= =6.67.10 Tm

3.108

B.l = 66.7 Gaussmeter

Voor het electrostatisch veld is de kracht op het electron:

F = ̂ INI d

U is de spanning in volt d is de afstand tussen de platen in meter

q .U

De veldsterkte per lengte voor de APS is:

H . 2. ID"3.10'. 20 2 2 * d cm


Er bestaan verschillende soorten kickers, te weten:

I-Een luchtspoel kicker, zie hoofdstuk 3.1 2-Een kicker in de vorm van een transmissielijn, zoals de Los Alamos kicker, zie hoofdstuk 3 2 3-Een ferriet kicker, zoals bij CERN, zie hoofdstuk 3.3 4-Een electrostatische kicker zoals in saskatoon, zie hoofdstuk 3.4


3.1 De luchtsnoel kicker

In Lund heeft men een luchtspoel in gebruik als snelle extractie kicker voor een synchrotron. Zie publicatie RB 105. De luchtspoel van Lund bestaat uit een Helmholtz spoel. Zie figuur 3.1

figuur 3.1

Helmholz type Kicker

Het magneetveld in het midden van deze spoel is:

B= I 1 0 '7(A) als b= 2 cm, a = 4 cm en de kickerlengie 1,6 meter dan is de stroom

1=1 KA

kickers en septa Kickers

9

3.2 De transmissie»in kicker

Er bestaat een type kicker die opgebouwd is als een transmissie lijn. Zie RB 101 en RB 102 Deze kicker is in Los Alamos ontwikkeld en wordt daar gebruikt als snelle extractie kicker. Los Alamos is overigens het enige instituut dat, volgens onze literatuurlijst, oit type kicker gebruikt. De kicker bestaat uit twee electroden (zie figuur 3.2) die samen een karakteristiek afgesloten transmissielijn vormen.

figuur 3.2

puls in

matched f] If M S \ A s M matched load U \ \ SS \S\ X U ioad

Beam

Transmission Line Type Kicker

Een bipolaire puls wordt langs deze transmissie lijn gezonden en wekt een TEM mode op. Het electrisch en magnetisch veld buigen de electronen in dezelfde richting af, mits de puls en de electronen zich in dezelfde richting verplaatsen In publicatie RB 137 staat een berekening van de afbuighoek van dit type kicker. Als we uitgaan van een lengte van 1,6 meter en een diameter van 8 cm, dan komen we uit op de volgende waardes voor stroom en spanning:

V = 48 KV -> ± 24 KV 1 = 500 A T = 5 nsec vultijd

De auteur van deze publicatie maakt verder nog als opmerking dat deze systemen in het algemeen hoge stroom en spannings waardes vragen voor een redelijke afbuighoek. Daarom zijn de meeste ontwerpen ook voorzien van een ferrietjuk om de magnetische afbuiging te versterken. Hierdoor komen we dan vanzelf op een CERN ontwerp uit.


10

3,3 Pe CEKN Kirter

Een magnetische kicker zoals de kickers die bij CERN in gebruik zijn, zien er uit als in figuur 3.3. Dit is een tekening van een C-magneet terwijl wij window magneten moeten gebruiken omdat de gap 8 cm hoog is en 4 cm breed. Maar figuur 3.3 geeft het principe weer. De geleider vormt de zelfinductie en de platen tussen de ferriet kemen vormen de capaciteit. Het geheel bestaat dan in feite uit een "Puls Forming Network".

Lumped Element Kicker Type

Als we uitgaan van de maximaal beschikbare ruimte dan wordt het magneetveld 41 Gauss Dit is tamelijk laag en kan gemakkelijk wat groter gemaakt worden door de kicker korter te maken. De belangrijkste parameter van deze delay line kicker if voor ons de vultijd. De vultijd wordt ondermeer bepaald door de lengte van de kicker. Dus hoe korter hoe beter. In figuur 3.4 is een tekening van een kompleet kickersysteem weergegeven. De werking van het gehele kickersysteem is als volgt: Het DC power supply laadt de PFN op via de "load switch". Het ontladen van de PFN gebeurd via drie schakelaars. De "main switch" initieert de ontlading, een "clipper switch" verkort de staart van de puls en de "dump switch" ontlaadt de restenergie van de PFN. De "front matching cell" dient als impedantie aanpassing tussen de PFN en de vier parallel geschakelde kabels.


figuur 3.4

1 0 2 1 D u m p Nrr ik C I , p p e r M a m

Switch Switch Switch Switch

Termination Magnet resistor 15 cell

Het volgende rekenvoorbeeld is gebaseerd op de publicatie RB 135 Laten we uitgaan van de volgende begin parameters: Magnetische lengte 1 = 0,5 meter Karakteristieke impedantie ZQ = 12,5 ft Aantal cellen van de magneet n = 15

Het magneetveld wordt dan:

B= 135 Gauss

lengte magneetcel is 33 mm

De totale inductie van de magneet wordt:

De stroom wordt:

I = h JL = 900 A

De totale capaciteit van de magneet wordt:

-VS Cs= 1,9 nF

De 15 cellen bestaan dus uit:


L=0,02jiH en C= 128 pF

Als we de afstand tussen twee platen op 4 mm houden dan worden de platen van de capaciteit 25 x 25 cm groot

De vultijd is

ta = n7 L.C

ta = 24 nsec

De spanning is V = Z.l = 11 KV

De stijgtijd van de PFN wordt bepaald door de thyratrons en stellen we optimistisch op 5 nsec De totale stijgtijd wordt dan ongeveer 30 nsec In diverse publicaties wordt gesteld dat de daaltijd van dit soort systemen meestal 1,5 a 2 keer zo groot is dan de stijgtijd. Dit zou voor dit voorbeeld dus betekenen dat de daaltijd 45 nsec wordt


3.4 De electrostatische kicker

Voor een schets van een electrostatische kicker zie figuur 3.5

Figuur 3.5

High Voltage Feedtrough

High Voltage Plates

Electro Static Kicker Type

A Is we uitgaan van een kickerlengte van 1,6 meter en een afstand tussen de platen van centimeter dan wordt de spanning op de platen:

V = 50 KV

Dus de platen moeten met een spanning van plus en min 25 KV gepulst worden. De afstand tussen de platen is 4 cm, dus de veldsterkte is

12.5 KV/cm.

De capaciteit van de kicker is:

C F £ A - 8 8 5 1012 L 6 • ° * C b r ' b o d" - 8 8 5 1 0 • 0.04

C = 28 pF


De energie in de condensator bedraagt:

1 ? 1 -12 2 6 E = _ C V = - . 2 8 . 10 50 . 10 c 2 2

E =35 mj

De opgeslagen lading in de condensator is:

Q = C. V = 28. 10"12.50.1O3= 1,4 (iC

De piekstroom tijdens de voorflank van de puls is

1. -«.üliïl.MA "* •" 1. 106

bij een stijgtijd van 1 ï̂sec

De piekstroom tijdens de achterflank wordt:

, f l_Mi£.20A fall .1)

70. 10 bij een daaltijd van 70 nsec

Als we naar een daaltijd van 10 nsec streven dan wordt de piekstroom tijdens de achterflank 135 A Het piek vermogen bedraagt:

P.k._HJ£l.ll5KW """ 3.1 . lO'6

Het gemiddelde vermogen is een factor 1000 kleiner omdat de dutyfactor 1 op 1000 is:

Pgem = 12.5 W


15

Het Power supply zou er als volgt uit kunnen zien als in figuur 3.6. figuur 3.6

Programmable High Voltage Supply

Programmable High Voltage O Supply

Dit is een copie van het Saskatoon PSA.

SI en S2 zijn thyratrons: U=30 KV 1 = 200 A

S3 en S4 zijn bij het saskatoon PSA triodes. De vraag is of dat bij ons ook kan. Dit moet uitgezocht worden. U = 30 KV I = 2A

R4 en R3 bepalen samen met de kicker capaciteit de stijgtijd van de kicker. bij Saskatoon is dat 15 (asec, bij ons is dat 1 a 2 ^sec. Rl en R2 zijn dempingsweerstanden en bepalen in hoge mate hoe de achterflank er uit komt te zien.

De Kickerpuls van Saskatoon ziet er uit als in figuur 3.7 figuur 3.7

1 usee

5-10 nsec

Kickers en Septa 16 Vergelijkend literatuur onderzoek kickers

4.1 Resultaten literatuur onderzoek

Het literatuuronderzoek dat heeft plaatsgevonden bevat een 70-tal artikcler. op het gebied van kickers en septa en omvat de rapportage van een 15-tal laboratoria. Met het accent op het onderzoek naar kickers zijn van 24 kickerontwerpen gegevens verzameld. Deze gegevens omvatten zowel kwalitatieve informatie als specificaties.

De kwalitatieve informatie bestaat uit: - jaartal van publicatie (>74 betekent: na 1074), - soort deeltje: electron/positron (e) of proton/antiproton (p), - doel van het gebruik van de kicker, - soort kicker.

De specificaties van de ontwerpen bestaan uit: - de energie E van de bundel in GeV, - de afbuighoek in milliradialen, - de pulsduur van de bundelbunch in microseconden, - de stijgtijd van de puls in nanoseconden, - de daaltijd van de puls in nanoseconden, - de lengte L van het uiteindelijk ontwerp in meters, - de piekwaarde van de opgewekte magnetische inductie B in kiloGauss, - de door de voeding geleverde piekwaarde van de stroomsterkte I in kilo-Amperes, - de benodigde piekwaarde van de spanning V in kilo-Volts.

In Tabel 1 op bladzijde 17 zijn zowel de kwalitatieve informatie en de specificaties van de 24 bestudeerde kicker ontwerpen weergegeven.

laboratorium

BNL-AGS CERN-accum CERN-CPS CERN-ISR CERN-SPS CERN-SPS Cornell

' Fermi !ab Karlsruhe Mitsubishi SLAC-SLC

Arconne BNL-Isabelie CERN-IDIS CERN-SPS ELSA

CERN-CPS Fermilab SLAC-PEP

Ibaroki Lund

Los Alamos MIT

Saskatoon

jaar

82 SI 70

>74 77 82 77 83 81

>79 87

79 81 75 81 88

71 85 75

>82 83

85 88

87

(Ve

P P P P P p e P P 0

e

P P D P e

P P e

e e

P e

e

doel

fast extr. injection extraction injection injection injection extraction injection ejection extraction inj. & extr.

extraction extraction deflection separator extraction

injection inj. & extr. injection

deflection fast extr.

fast extr. injection

CO bump

soort

C-ferriet C-ferriet C-ferriet C-ferriet C-ferriet C-ferriet C-ferriet C-ferriet C-ferriet C-ferriet C-ferriet

W-ferriet W-ferriet W-ferriet W-ferriet W-ferriet

?-ferriet ?-ferriet ?-ferriet

luchtspoel luchtspoel

TEM TEM

elektrost.

E GeV

28 3.5 28 28 10 26

8 150 1.1

1 1.2

0.5 400

0.05 270 2.5

0.8 8

15

0.32 0.55

0.8 1.1

0.3

hoek mrad

1.1 7.4 0.8 1.3 4.3

5 1.5 0.5 11 16 8

15 0.7 4.3 68 1.2

3.7 6.1 fi.3

100 y>

6 1.4

3

pu's usee

2.8 0.5 2.1 2.5 27 12

0.1 22

0.6 0.1 0.1

0.1 14

120 3

1.2

1 1.5 1.6

50 1

0.4 2.6

2

rise asec

180 90 85 80

100 175 30

100 50 30 50

90 333 100

yy

200

10 1000

99

7>

100

30 10

V

fall nsec

500 90 99

80 100

1300 99

200 99

30 50

99

99

100 99

rt

50 75 y)

•n 99

30 10

100

L m

0.9 5

0.4 1.4 4.8 8.4 1.5

^ 3.6 0.6 0.3

0.6 6

0.4 0.7 0.3

0.8 99

1 *

0.4 99

4 1.5

0.4

B kG

1.3 0.18

1.9 1

0.3 0.5

0.27 1.3

0.11 0.9

0.98

0.28 1.5

0.13 0.86 0.25

0.23 V.

3.3

3.3 0.05

0.04 0.03

-

1 kA

3 5 2 3.5 1.7 1.5 4.8

3 2.5 1.2

1 2.2

3.4 7.2 0.6 2.1 0.4

3 1.3 0.4

0.6 0.3

1 0.2

-

U kV

30 80 35 24 42 60

120 40

220 100 37

74 48 28

8 8

30 35 4

•» 30

100 22

70

H p o- o

o

a 3 o "O E?

<

ei?

!

K

1

O

a

7?

o' n 2


Uit de kickerspecificaties zijn enkele karakteristieke parameters voor een kicker ontwerp af te leiden:

-Het produkt van de energie E en de afbuighoek, in de fysische betekenis van de te realiseren kinetische energie van de bundel in de afbuigrichting, kan worden opgevat als karakteristieke parameter voor de sterkte van de kicker.

-De verhouding van pulsduur en stijgtijd en van pulsdiiur en daaltijd vormt een karakteristieke parameter voor de kwaliteit van de PFN van de kicker. In het geval van de NIKHEF-kicker is voorlopig alleen de verhouding van pulsduur en daaltijd een karakteristieke parameter.

-De eisen, die aan de kicker worden gesteld in de vorm van afbuigsterkte en pulskwaliteiten, vinden hun weerslag in de eisen, die gesteld moeten woroen aan de voeding van de kicker. Als laatste karakteristieke parameter van de kicker kan aldus het produkt van stroomsterkte I en spanning U, als maat van het te leveren piekvermogen P, worden beschouwd.

In Tabel 2 zijn de berekende karakteristieke parameters van de 24 bestudeerde ontwerpen weergegeven, alsmede van de in hoofdstuk 3 doorgerekende voorbeelden voor een NIKHEF-kicker. Tabel 2

laboratorium jaarj E x hoek

Argonne BNL-AGS BNL-Isabelle CERN-accum CERN-CPS CERN-CPS CERN-IDIS CERN-ISR CERN-SPS CERN-SPS CERN-SPS Cornell ELSA Fermilab Fermilab Ibaraki Karlsruhe Los Alamos Lund MIT Mitsubishi Saska'oon SLAC-PEP SLACSLC

NIKHEF

Gevxmrad

79 82 81 81 70 71 75

>74 77 81 82 77 88 83 85

>82 81 85 83 88

>79 87 75 87

92

7.5 31

280 26 22 3

0.22 36 43

18400 130 12 3

75 49 32 12

4.8 97

1.5 16

0.9 95

9.6

1.8

puls/rise

I 16 42

6 2J

100 1200

31 270

77 69

3.3 6

220 1.5 77 12 13 10

260 3.3 77 77 2

•n

puls/f all

77 5.6 77 6

7? 20

1200 Jl

270 TT

9,3 7? 77

110 20 77 77 13 ?7

260 3.3 20 71

2

29

U x l l MW

850 90

350 420 120 90 17 41 63 17

290 360 3.2 100 46 77

260 100

9 4.4 100 0.5 1.6 81

er. 10 TEM 25 El. 1.8 Lu. 60


4.2 Vergelijkend onderzoek

Met behulp van binnen de GVT aanwezige spreadsheet computerprogramma's zijn door middel van het toepassen van sorteringstechnieken de gegevens geschikt gemaakt voor een overzichtelijke vergelijking van de verschillende ontwerpen met een mogelijk NIKHEF ontwerp. In figuur 4.1 {blz 20) is het resultaat van het sorteren voor de drie voor het NIKHEF ontwerp belangrijke karakteristieke parameters met behulp van histogrammen weergegeven.

Uit Tabel 2 en figuur 4.1 blijkt nu dat in vergelijking met bestaande kicker ontwerpen aan de NIKHEF kicker geen exceptionele eisen worden gesteld. Wat de hoek x energie parameter betreft is het NIKHEF ontwerp te beschouwen als een kicker met geringe sterkte.

Deze eigenschap is tevens zichtbaar in de vergelijking van de onderinge piekvermogens. Dit geldt voor zowel het elektrostatische als het ferrietkicker ontwerp.

Wat betreft de pulseigenschappen bevindt de NIKHEF kicker zich ongeveer in het midden van de range aan berekende waardes voor de puls/daaltijd-parameter. De meeste laboratoria hebben echter een lagere waarde voor deze parameter dan het NIKHEF-ontwerp. Ongeacht een mogelijk strenger wordende eis voor de huidige daaltijd van 70 ns kan geconcludeerd worden dat veel aandacht in het ontwerp en de ontwikkeling van de NIKHEF-kicker uit zal gaan naar het optimaliseren van de pulseigenschappen, in het bijzonder de realisatie van de PFN.

Naast bovenstaande kwalitatieve vergelijking is getracht kwantitatief zichtbaar te maken waar met het NIKHEF ontwerp aansluiting kan worden gevonden bij bestaande kicker ontwerpen. Deze kwantitatieve vergelijking heeft plaatsgevonden door de bestudeerde ontwerpen plus- of minpunten te geven, naar gelang de karakteristieke parameters overeenkomsten of afwijkingen vertonen met de mogelijke NIKHEF ontwerpen. Voor dit puntensysteem zijn de volgende criteria vastgesteld:

-ontwerpen, die in een karakteristieke parameter minder dan een factor 2 verschillen van een NIKHEF-ontwerp, krijgen een pluspunt.

-ontwerpen, die in een karakteristieke parameter meer dan een factor 10 afwijken van een NIKHEF-ontwerp, krijgen een minpunt.

-ontwerpen, die niet aan bovenstaande criteria voldoen of waar de waarde van de karakteristieke parameter niet van bekend is, krijgen noch een plus-, noch een minpunt,

-ontwerpen met een geringere lengte en met een iets groter piekvermogen krijgen op ontwerptechnische gronden alsnog een pluspunt, evenals ontwerpen met een grotere lengte en een veel geringer piekvermogen

Het resultaat van het hierboven omschreven puntensysteem is in figuur 4.2 (blz 21) weergegeven in de vorm van histogrammen van het totaal aantal plus- en minpunten van de bestudeerde ontwerpen.

Geconcludeerd kan worden dat met het NIKHEF-ontwerp aansluiting kan worden gevonden bij de volgende bestaande ontwerpen:

- de ferriet-kicker van het CERN Proton Synchrotron Booster, beschreven door Bruckner (ref.RBlóO),

- de Los Alamos TEM-kicker, - de elektrostatische kicker van Saskatoon, - de ferriet-kicker van ELSA uit Bonn.

'Ti ere' C

peak power (MW)

saskatoon

nikhef-el.

slac-pep

elsa

mil

hind

nikhef-fer.

cem-idis

cem-sps-81

nikhef-tem

cem-isr

fermilab-85

nikhef-lucht

cern-sps-77

slac-slc

bnl-ags

o o 8 S 8 - 1 - 1 1 — 1 — k — 1 — 1 _

3 0.5

T '

y ' 6

r 3 2

g4.4 Si 9 S 10 ^ ^ Ö 17

a_*_

•

peak power

• ^

25

81

90

pulse/fallüme

8 8 _ i i i — i _

energie x hoek

8

0 2

J 3 3

J 5 '6

J 6

y 9.3

ö 13

S r 2 0

Ö20

Q 20 S 29

K) 31 p£&Sw«!S&\l

Èi-ft •'•£;'£ :-:*"$;:iw S' &

110

•

pulse/fallti

S L u

260

1 270

i/i n zr n n 93.' a 3

3" 65

cem-idis

saskatoon

mit

nikhef

cern-cps-71

elsa

los alamos

argonne

slac-slc

comell

karlsruhe

mitsubishi

cern-cps-70

cem-acc

bnl-ags

o 8 o è

0 0.22

SjO.9

f L5

B 3 ^ y 3

y y 48 ^Bi.7-s

^§»sv*] XpSffiÜ^SS'^

^msm%®&

^ispmmim

t&mimmits

^^^^^m

9.6

y 1? j) 12

« *4 »SSK£

16

smJ 1 22

26

u

energie x hoek

31

<

& <re o

l et

3 B c "i

s 8 o'

Kickers en Septa Vergelijkend literatuuronderzoek kickers

21

Figuur 4.2

8 2 2 g 1 v1

S E S 8

8. ¥ E 8

-3 E 8

i/x

E U •s

ps

E 8

00

•sps

ce

m

«s 00 a.

cem

% 5 E o 8 u

3 C

1/5 3

, • - ' 4 "

3-

2 -

1 -

o-•

1 -

2 -

rs • 0

£ * - _

plas minus

b r / / / / / / / i

• i *

Bar / •

-

Br*** vl

1

Eg

1

I

r l

-

• j r s s s ^

t

3 oo £ 1 2 1

s I s a 1 £ 3

Kickers en Septa

5.1 Septum magneten

??

Septa

Het literatuur onderzoek naar septa heeft een tweetal voorbeelden opgeleverd voor de in de injectie- en extractielijn op te nemen septum magneten: - de zogenaamde "Larnbertson iron septum magnet".

Dit ontwerp bestaat uit een juk in de vorm van e*.*: "window frame", waarbinnen het afbuigend veld wordt opgewekt. De vorm van het juk kan aa- oast zijn aan de positie van de bundel in de ring of aan de positie van de af te buigen bundel., -'IUJ Z.\ geeft een voorbeeld van een Lambertson-magneet, zoals in gebruik bij het Fermi-lab.

Figuur 5.1

Vacuum vessel

straight on beam in the fidd-free aperture

watercooled coil

deflected beam in the magnetic apertur

yoke

-een C-magneet met een "septum" als onderdeel van het stroomcircuit dat het veld in het juk opwekt. Het "septum", door zijn dikte aangepast aan de positie van de aanwezige bundel(s), is net buiten de polen van het juk geplaatst, zoals geschetst in figuur 5.2.

figuur 5.2

yoke

Sepiumgap

septum

return conductor

Kickers en Septa 23 Septa

Op grond van het ontbreken van ontwerpeisen voor de septum magneten in het UPDATE-projekt, is geen verder onderzoek verricht naar specificaties van de hierboven beschreven voorbeelden. In het algemeen is naar voren gekomen dat in het ontwerp van septummagneten de volgende zaken aandacht moeten krijgen: - de dikte van het gekozen "septum" bepaalt in grote mate de afbuigsterkte van het magneet

ontwerp, alsmede de mate waarin aan de eisen voor de homogeniteit van het afbuigveld en voor de waarde van het strooiveld kan worden voldaan,

- de eisen die het magneet ontwerp stelt aan de power supply, - de benodigde koeling van Cs magneet als gevolg van de uit het ontwerp voortvloeiende

dissipatie, - de uitvoering van de PFN als voor een gepulst magneet ontwerp wordt gekozen, - de eventuele constructie van de magneet in een vacuum opstelling.

5.2 electrostatisch senium

Het literatuur onderzoek naar elektrostatische septa heeft zich gericht op ontwerpen met bundelverliezcn, die overeenkomen met de eisen voor de extractielijn uit het UPDATE- project.

Het onderzoek heeft opgeleverd dat een extractie efficiency van 96-99 % kan worden bereikt met een "thin wire electrostatic septum". Dit septum bestaat aan de bundelzijde uit verticaal opgespannen dunne draden op nul potentiaal. Een in de literatuur vaak terugkerend ontwerp bestaat uit tungsten draden van 0.05 mm doorsnede met een onderlinge afstand van 1 mm. Als gevolg van "misalignment" van de array van draden treedt een effectieve dikte van het septum op van ca. 0.1 mm. Een modulaire opbouw van de dradenarray kan deze effectieve dikte nog verminderen. Figuur 5.3 toont een voorbeeld van een bij het Fermilab in gebruik genomen dradenarray.

figuur 5.3

Kickers en Septa 24 Septa

Als andere electrode, waaraan geen eisen gesteld worden met betrekking tot bundelverliezen, wordt als vlakke plaat wel gebruik gemaakt van PRE30 (97% A1+3% Mg) met een aluminiumoxide coating, austenitisch roestvrij staal of een titanium legering met een di-electrische coating. De gap tussen de electrodes bedraagt 1-2 cm en de optredende veldsterkte bedraagt ca. 100 kV/cm. De vlakke plaat electrode wordt, in verband met homogeniteitseisen voor het electrisch veld en in verband met het optreden van doorslag, uitgevoerd met afgeronde hoeken. Tevens bestaan er ontwerpen met een mechanisch instelbare positionering van de vlakke plaat electrode.

Als alternatief voor de dradenarray kan een vlak opgespannen folie worden beschouwd. In bestaande ontwerpen worden folies van tungsten en molybdeen, met een dikte van 0.1 mm, gebruikt. Met deze materialen is een vlakheid van 0.025 mm te bereiken. De resulterende effectieve dikte van ca. 0.15 mm van het "thin foil electrostatic septum" heeft dan ook tot gevolg dat grotere bundelverliezen optreden dan bij de dradenarray. Als compromis tussen de dradenarray en het folie wordt een array van folie strips in de literatuur genoemd. Figuur 5.4 geeft een voorbeeld van het opspannen van draden, strips of folies, zoals in Saskatoon gebeurt.

figuur 5.4

in beam

out beam

cathode (+)

wire(-)

tension spring

Bij het ontbreken van verdere ontwerpeisen voor het extractieseptum in het UPDATE- project kunnen voorlopig slechts algemene aandachtsgebieden in het toekomstig ontwerp worden genoemd:

- onderzoek naar doorslag als gevolg van veld-emissie-electronen, - onderzoek naar "electromagnetic shower" als gevolg van gammastraling, - onderzoek naar de relatief grote verliezen in het eerste deel van het septum, in verband met de positie van het septum ten opzichte van de bundel,

- constructie-problemen zoals het opspannen van het draden- of folieseptum, hoogspannings toe- en doorvoer, de vacuum opstelling.

kickers en septa 25 Conclusies

6 Conclusies

Injectie septum -Electromagnetisch septum -gepulst PSA Er kan pas begonnen worden met een ontwerp van de septum magneet als de specificaties bekend worden

Kickers Vanwege problemen met de vultijd valt het CERN ontwerp af Op grond van het vergelijkend literatuuronderzoek kwam het Saskatoon ontwerp er als een van de beste uit. De constructie van dit type kicker lijkt eenvoudig. Het PSA lijkt eenvoudig vergeleken met andere ontwerpen Er moet aandacht besteed worden aan de achterflank van de kicker puis en aan de storing die dit systeem geeft

Extractie septum Er kan pas begonnen worden met een ontwerp van de ecxtractie septa als de specificaties bekend worden. Het eerste septum moet een electrostatJsch septum worden op grond van de eisen die aan de verliezen worden gesteld. Er is waarschijnlijk ook nog een electromagnetisch gelijkstroom septum nodig voor verdere afbuiging.

kickers en septa 26 Literatuurlijst

7 Literatuurlijst

RB101 The Los Alamos proton storage ring fast-extraction kicker system J.F. Power, B. Blind, A.J. Jason. Los Alamos, 1985

RB102 Fast-Extraction modulators for Los Alamos scientific laboratory proton storage ring. W.C. Nunnaly, D.W. Hudgings, W.J. Sarjeant. Los Alamos, 1980

RB103 The AGS fast kicker magnet system W.T Weng, J.G. Cottingham, H. Foelsche, enz. Brookhaven National Laboratory, 1981

RB104 Design of a matched fast kicker system F. Bulos, A. Odian. SLAC, 1984

RB105 Fast Kicker magnet system L.J. Lindgren, A. Sandell, M. Eriksson. Lund, 1983

RB106 A resonant charging pulsed power supply for kicker magnet pulse forming networks. D.C. Fiander, P.D. Pearce CERN, 1969

RB 107 The injection kicker system of the cern antiproton accumulator D. Fiander, K. Metzmacher, enz. CERN, 1981

RB 108 Los Alamos proton storage ring extraction system D.W. Hudgings, A.J. Jason

RB109 A fast rise time high voltage pulse burst generator D. Grier, K.D. Metzmacher CERN, 1983

RB110 50 Hz B-H loop measurements on type 8C11 ferrite samples at room temperature Onbekend Onbekend, 1979

RB111 Bau und test eines Ejektormagneten sowie des zugehörigen strompulsers für die Extraktion avs dem Bonner 2.5 GeV Elektronensynchrotron für ELSA Afstudeer opdracht J. Friedl Universitat Bonn, 1986

kickers en septa Literatuurlijst

RB112 Schnelle extraktion aus dem Bonner 2.5 Gev elektronensynchrotron und strahltransfer neuen stretcher ALnlage ELSA H.D. Nuhn Universitat Bonn, 1988

RB113 Development of an electrostatic septum at cern for high energy proton synchrotrons J. Bleeker, C. Germain, M. Thivent, R. Tinguely CERN, 1972

RB114 DC Septum Magnets for the damping rings of the sic slac linear collider. J. Bijleveld, J.M. Peterson, D. Jensen SLAC, 1986

RB115 Magnets in the PEP injection lines R. Reimers, J. Peterson, R. Avery, enz. SLAC, 1979

RBI 16 Technology note M17 Electrostatic septum, Ml 8 Electrostatic separartors. onbekend CERN, 1974

RBI 17 Analyzing magnet with field-free channel for use in the ISR T.M. Taylor CERN, 1974

RB118 Electrostatic septum in a high intensity electron accelerator F. Koechlin Saclay, 1987

RBI 19 Experiment of fast-electron extraction system S. N kata Mitsubishi, ??

RBI 20 Single pass collider memo CN-72. Kicker magnet and Pulser F. Bulos CERN, 1981

RB121 Sinj, oass collider memo CN-166. Damping ring kickers F. Buios, B. tolin, J. Weaver CERN, 1982

RBI 22 SPS inflector for multibatch injection H. Kuhn, G.H. Schroder, J.C. Soulié CERN, 1977


RB 123 Design and test results of a pilsed quadrupole magnet with a 2 usee rise time J.A. Bywater, R.J Lari, L.G. Ratner enz. Brookhaven AGS, 1981

RBI 24 Rapid Beam Switching Techniques G. Schaffer Kernforschungszentrum Karlsruhe Institut fur kernphysik, 1981

RBI 25 Eddy current screens for fast pulsed magnets H. O'Hanlon CERN, ??

RB 126 Fast pulsed magnet systems for proton and antiproton injection into the cern 400GeV proton synchrotron E. Frick, H. Kuhn, M. Mayer, enz. CERN, 1982

RB 127 Skin Effect in Electrically Pulsed Cylindrical conductors used as focusing devices A.J. Lenox Fermi lab, 1983

RB128 Some fast beam kicker magnet systems at slac F. Bulos, R.L. Cassel, A.R. Donaldson, enz. SLAC, 1987

RBI 29 Kickers and power supplies for the fermilab tevatron I Antiproton source T. Castellano, L. Bartoszek, E. Tilles, enz FERMILAB, 1985

RBI 30 High-Frequency magnet for separating beams in colliders Y. Baconnier, J. Dupin, R. Guinand, enz. CERN, ????

RB131 Pulsed magnets for the time sharing of the ganil beam A. Deal, M. Duval, Long Ao GANIL, ????

RB132 The fast shaving ejection for beam transfer from the CPS to the cem 300GeV machine C. Bovet, D. Fiander, L. Henny, enz. CERN, ????

RB133 Intense pulsed neutron source (IPNS-I) accelerator 500 MeV fast kickers D.E. Suddeth, G.J. Volk Argonne national laboratory, 1979


RB 134 Initial operation of the fermilab antiproton cooling ring D.B. Cline, J.C. Gannon, E.R. Gray, enz. Fermilab, 1979

RBI 35 Snelle schakelmagneten voor protonenbundels H. O'Hanlon Philips, 1970

RB 136 Fast extraction of debunched AGS beam L.N. Blumberg, J.G. Cottingham, J.W. Glennn, enz. Brookhaven,????

RB 137 Extraction G.H. Rees Rutherford Appleton Lab, 1985

RB 138 Injection G.H. Rees Rutherford Appleton Lab, 1985

RB 139 On the design of the fast kickers for the isabelle beam abort system R.J. Nawrocky, P.A. Montemurro, J.Baron Brookhaven, 1981

RB140 Long Ceramic beam tubes for accelerator magnets E.B. Tilles, G.H. Biallas, M.A. Harrison. Fermilab, 1983

RB141 Synchronous timing of multi-energy fast beam extraction during a single AGS cycle J. Gabusi, S. Naase Brookhaven, 1985

RN142 Pulsed beam deflection and transport systems of the ETL linac S. Sugiyama, T. Noguchi, enz. Japan,????

RB143 Injection system *rr> SLAC,???

RB144 A Transformer septum magnet M. Foss, K. Thompson, W. Praeg. Argonne national laboratory, 1979


RB 145 Magnets in the PEP Injection lines R. Reimers, J. Peterson, R. Avery. SLAC ???

RBI 46 Strong magnetic Kicker G. Larnbertson Lawrence Berkeley Lab, 1984

RBI 47 Beam transfer and extraction at LAMPFII E.P. Colton Los Alamos, 1983

RB148 A pulsed fenite magnet system with rise and fall time below 100 ns P. Bossard, F. Völker CERN, 1975

RB 149 Preliminary septa design C. Figley Saskatoon, 1984

RBI 50 Extraction Septum Geometry L.O. Dallin Sastutoon, 195

RB151 Septa smoke test result C. Figley Saskatoon, 1985

RB152 Injection 2.1 grd prototype test results C. Figley Saskatoon, 1985

RB153 A high speed electrostatic kicker for the pulse stretcher ring at Saskatchewan accelerator laboratory C. Figley Saskatoon, 19??

RB154 PSR Kicker general purpose delay module ( as built C. Figley Saskatoon, 1987

RB155 The fermilab injection kicker R. Trendler, M. Harrison, E. Tillis, enz Fermilab, 1983


RB156 Ultrafast pulsed magnets for beam manipulation in an electron storage ring R. Dixon, F. Messing, D. Morse, enz Cornell, 1977

RB157 SSTR- the 150 MeV pulse stretcher of tohoku university T. Tamae, M. Sugawara, enz. Tohoku, 1987

RB158 Engineering design of the AGS fast beam extraction system E.B. Forsyth, C. Lasky Brookhaven, ???

RB159 Edge cooled, high-current septum magnet A.J. Gorka, R.J. Lari, L.G. Ratner Argonne National Laboratory, ???

RB160 Kicking protons, fast and cheap A. Bruckner Cern, ???

RB161 Beam abort system for the nal 500BeV synchrotron J.A. macLachlan, T.A. borak, L.C. Teng National Accelerator Laboratory, ???

RBI 62 Design of the 500 GeV slow extracted beam and proton beam lines C.H. Rode, R.A. Andrews, A.W. Maschke, er-. National Accelerator Laboratory, ???

RBI 63 Pulsed septum magnet and power supply for the 8 GeV beam transfer line at the national accelerator laboratory A.T. Visser, R.F. Nissen National Accelerator Laboratory, ???

RBI 64 The NAL beam splitting system L.W. Oleksiuk, R.A. Andrews, E.J. Bleser, enz.

RB 165 Travelling wave kicker magnets with sharp rise and less overshoot C. Nassibian. CERN, 1979

RB166 Fast kickers E.B. Forsyth, M. Fruitman Brookhaven National Laboratory, 1970


RB 167 Pulse sharpening with a series ferrite magnetic switch in line-type and blumlein modulators S. Schneider SCEEE, 1982

RBI 68 H5 fast kicker magnet pulser W. Frey, S. Choshroy, J.G. Cottingham Brookhaven National Laboratory, 1982

RBI 69 Fast extraction of electrons from INS synchrotron for injection to SOR-RING H. Kitamura, enz. Institute for Nuclear Study Tokio, 1976

RB 170 The design of the isr inflector H. Kuhn, W.C Middelkoop, H. O'Hanlon Cern, ???

RB171 A 3KG kicker magnet system for the tevatron beam abort system C. Krafczyk, H. Edwards, enz Fermilab, 1981

RBI 72 High voltage pulse generators for kicker magnet excitation D.C. Fiander, D. Grier, K.D. Matzmacher, enz CERN, 1973

RB 173 High tension burst pulser for the electron extraction kickers of the cem super proton synchrotron G.H. Schroder and E.B. Vossenberg CERN, 1984

nlj§jhjef - inis.iaea.org

Documents