Field stability for proton linear accelerator drift tube linac

Abstract

Die Feldstabilität in Alvarez Driftröhren Linacs (DTL) ist eines der größten Probleme, seit diese Art von Beschleuniger im Jahr 1947 entworfen wurde. Die Beschleuniger Gruppe am Los Alamos National Laboratory hat als Lösung vorgeschlagen sogenannte Pfosten-Koppler zu verwenden, um das Feld zu stabilisieren. Diese Arbeit untersucht und beschreibt die Stabilisierung des Beschleunigungsfeldes in einem DTL mit Hilfe von Pfosten-Kopplern. Zum ersten Mal wurde die Stabilisierung eines vollständigen DTL mittels elektromagnetischen 3D Simulationen untersucht und dann mit einem speziell konstruierten skalierten Modell ("kaltes Modell") verifiziert. Diese Studie zeigt, dass 3D-Simulationen das Potenzial haben, um den Bau von skalierten Prototypen für zukünftige Proton Linearbeschleuniger zu ersetzen. Die Simulationen wurden verwendet, um die Geometrie der Koppler für das Linac4 Projekt am CERN zu bestimmen. Das angefertigte kalte Modell ermöglicht es, die Abstimmungsprozedur für den eigentlichen Linac4 DTL üben. Darüber hinaus wurde das kalte Modell dazu verwendet, um experimentell die Anzahl der Driftröhren pro Pfosten-Koppler zu bestimmen, welche notwendig ist um das Feld zu stabilisieren. Weiterhin wurde das kalte Modell zur Ableitung eines empirischen Skalierungsgesetzes zur Einstellung der Post-Koppler benutzt, welches im Vergleich zur Standardmethode zu einer verbesserten Stabilisierung führt.<br />

The field stability in Alvarez Drift Tube Linacs (DTL) is one of the major problems since this type of accelerator was first designed in 1947. A solution was proposed by the accelerator group at the Los Alamos National Laboratory, to use so-called post couplers to stabilize the field. This thesis studies and describes the stabilization of the accelerating field in a DTL with the help of post couplers. For first time the stabilization of a complete DTL was studied by means of a 3D electromagnetic code and was then verified with a specifically constructed scaled model ("cold model"). This study shows that 3D simulations have the potential to replace the construction of scaled prototypes for future proton linear accelerators. The simulations were used to decide on the geometry of the post couplers to be used in the Linac4 project at CERN. Also the constructed cold model allows to practice the tuning procedure for the actual Linac4 DTL. Apart from that the cold model was used to determine experimentally the number of drift tubes per post couplers with which one can stabilize the field in the cold model. Furthermore, the cold model was used to empirically derive a scaling law for the adjustment of the post couplers, which leads to an improved stabilization when compared to the standard approach.