MEBT Design Considerations for Controlling Emittance Growth

Slide1MEBT Design Considerations• The  beam  energy  in  the  MEBT  is  sufficiently  low  for  the  space  charge  forces  to  have  a considerable  impact  on  the  beam  dynamics.  In  order  to  control  the  emittance  growth,  the lattice  optics  has  to  be  regular  and  provide  strong  focussing.  Transversally,  the  requirement  is for  regular  betatron  oscillations  amplitudes  as  equal  as  possible  in  both  planes.  For  a  typical FODO  cell,  this  is  equivalent  to  having  a  zero  current  phase  advance  below  90°  and  it’s achieved  by  choosing  the  right  quadrupole  gradients.  A  strong  and  uniform  longitudinal focusing  is  also  imposed,  this  being  accomplished  by  adjusting  the  voltages  in  the  re- bunching  cavities. • On  the  other  hand,  in  order  to  minimise  beam  losses  and  induced  radioactivity  at  injection into  downstream  circular  accelerators,  beam  chopping  at  low  energy  is  required.  At  RAL,  a “fast-slow”  novel  chopping  scheme  will  be  employed  creating  the  required  gaps  in  the  bunch train.  The  choppers,  however,  are  large  devices  and  long  drift  spaces  will  have  to  be  reserved in  the  MEBT  line. • The  MEBT  design  is  especially  challenging  as  it  has  to  take  into  account  the  two  conflicting requirements  mentioned  above:  uniform  focusing  and  long  drift  spaces  without  focusing elements,  reserved  for  choppers  and  beam  dumps. Q Q C Q Q Q C Q C Q CHOPPER CHOPPER Q

Slide2Possible MEBT Schemes• Scheme  1  represents  the  preferred  design  for  the  FETS  project.  The  front  and the  end  matching  sections  are  similar  and  consist  of  a  two  doublet  quadrupole configuration  and  a  324  MHz  CCL-type  re-bunching  cavity.  The  choppers  are arranged  symmetrically,  each  followed  by  a  dedicated  beam  dump  and  a defocusing  quadrupole.  The  defocusing  quadrupoles  are  used  to  amplify  the deflection  given  by  the  choppers,  thus  reducing  the  required  voltage  on  the chopper  plates. Fast Chopper Slow Chopper Beam Dumps Quadrupoles Re-bunching cavities RFQ DTL

Slide3Possible MEBT Schemes• Scheme  2  is  currently  being  used  in  the  ISIS  upgrade  linac  design  and  it  comprises  of two  input  quadrupoles,  two  solenoids,  two  sets  of  asymmetric  triplet  quadrupoles  and four  324  Mhz  re-bunching  cavities.  The  input  quadrupoles  are  used  for  matching  the beam  from  the  RFQ,  while  the  solenoids  focus  the  beam  into  a  ~1.5  m  long  drift  where the  two  choppers  are  placed.  This  is  followed  by  a  first  set  of  triplets,  a  ~1.1  m  long  drift section  for  the  beam  dump,  and  a  second  set  of  triplets  to  match  the  beam  into  the  DTL Fast Chopper Slow Chopper Beam Dump Quadrupoles Re-bunching cavities RFQ DTL Solenoids

Slide4Possible MEBT Schemes• Scheme  3  investigates  the  possibility  of  using  a  more  regular  lattice.  For  this  purpose, three  sets  of  symmetric  triplet  quadrupoles  and  six  re-bunching  cavities  are  being  used. They  are  equally  spaced  by  long  drift  tube  sections  reserved  for  the  two  choppers  and for  the  beam  dump. Fast Chopper Slow Chopper Beam Dump Quadrupoles Re-bunching cavities RFQ DTL

Slide5MEBT + DTL• Beam tracking studies indicate that the MEBT design has a strong influence on the beam quality in the downstream accelerators (ISIS Upgrade Linac) • 3  MEBT  Schemes  + DTL (1 tank) ,  DTL: 3 – 16 MeV ,  60 mA, 324 MHz – Input beam distribution: Gaussian, 50k particles, RMS Emitt x/y/z: 0.27/0.27/0.38 Pi.mm.mrad 1 DTL Tank, 60 mA, 3 -16 MeV MEBT 2 MEBT 3 MEBT 1

Slide6MEBT + DTL  Beam Envelopes MEBT 1 + DTL MEBT 3 + DTL MEBT 2 + DTL

Slide7MEBT + DTL   Discussion Emittance Growth DTL MEBT 1 + DTL MEBT 2 + DTL MEBT 3 + DTL MEBT (%) tr - 10.1 22.3 25.6 z - 4.5 21.7 17.3 DTL (%) tr 4 0 1.9 17 z 6.5 3.9 1.1 12 Total (%) tr 4 10.1 24.7 46.9 z 6.5 8.6 23.1 31.5 Ha lo(%) tr/z ~15 ~30 ~60 150 Emittance growth In  the  first  design,  the  two  long  choppers  create  an  irregular  lattice  for  the  central  section  of  the  MEBT. However,  by  having  a  symmetrical  scheme,  the  drift  lengths  are  reduced  to  ~  0.5  m.  Shorter  drifts  are desirable  from  the  beam  optics  point  of  view,  and  by  carefully  choosing  the  quadrupole  gradients,  the  beta functions  can  be  kept  comparable  in  both  transverse  planes.  Consequently,  the  emittance  growth  and  the  halo development  are  reasonably  controlled,  both  in  the  MEBT  line  and  the  DTL. For  the  second  scheme,  the  chopper  sections  have  a  similar  effect  on  the  lattice.  However,  the  reserved  drift spaces  are  much  longer  (~1.5  and  ~1.1  m)  and  as  a  result,   the  strong  space  charge  forces  will  distort  the beam  structure  more  than  for  the  first  scheme,  leading  to  a  higher  emittance  growth. The  third  MEBT  also  includes  two  long  drift  sections  (~1.1  m  each)  but  has  the  advantage  of  a  periodic  lattice. However,  the  betatron  oscillations  amplitudes  vary  significantly  in  the  two  transverse  planes  and  the  beam quality  is  deteriorating  rapidly.