24
DELIVERABLE Number 2.1 352 MHz vs. 176 MHz Injector Comparison & Choice Authors: Chuan Zhang, Horst Klein, Dominik Mäder, Holger Podlech, Ulrich Ratzinger, Alwin Schempp, Rudolf Tiede, Markus Vossberg First reporting period: 01/02/2011 – 31/07/2012 Date of issue of this report: 31/01/2012 Start date of project : 01/02/2011 Duration : 36 Months MAX (Contract Number 269565)

120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

             

 DELIVERABLE Number 2.1 

 352 MHz vs. 176 MHz  

Injector Comparison & Choice     

Authors:   

Chuan Zhang, Horst Klein, Dominik Mäder, Holger Podlech,  

Ulrich Ratzinger, Alwin Schempp, Rudolf Tiede, Markus Vossberg 

 

     

First reporting period: 01/02/2011 – 31/07/2012   

Date of issue of this report: 31/01/2012   

Start date of project :  01/02/2011          Duration : 36 Months 

MAX(Contract Number 269565) 

Page 2: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice   Dissemination level: PU   Date of issue of this report: 31/01/2012 

 DISTRIBUTION LIST 

  

 Name  Comments 

BAYLAC Maud, CNRS BIARROTTE Jean‐Luc, CNRS BOULY Frédéric, CNRS/TED BOUSSON Sébastien, CNRS BRUCKER Romain, EA DARGES Bernard, TED DE GERSEM Herbert, KUL ESSABAA Saïd, CNRS FERNANDEZ RAMOS Pedro, EA GARBIL Roger, EC GARDES Daniel, CNRS JUNQUERA Tomas, ACS KALININE Amélie, CNRS KLEIN Horst, IAP MARTIN‐SANCHEZ Juan, ADEX MASSCHAELE Bert, KUL NEVADO Antonio, ADEX PERROT Luc, CNRS PIERINI Paolo, INFN PIRES Rui, FE‐UCP PODLECH Holger, IAP ROGGEN Toon, KUL SAUGNAC Hervé, CNRS SIERRA Serge, TED SPYROU Smaragda, CNRS URIOT Didier, CEA VANDEPLASSCHE Dirk, SCK●CEN ZHANG Chuan, IAP 

E‐copy of the document 

      

Page 3: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

3

 TABLE OF CONTENTS 

  

1.  INTRODUCTION ................................................................................................................... 4  

  

2.  FROM EUROTRANS TO MAX: NEW DESIGN CONCEPTS FOR THE INJECTOR …….................. 6  

2.1. 352 MHz vs. 176 MHz .................................................................................................. 6  

2.2. Other Major Changes ……………………………………............................................................ 8  

  

3. THE RFQ ACCELERATOR ……………………………......................................................................... 9  

3.1. Design and Simulation Results ..................................................................................... 9  

3.2. Simulation Based on the LEBT Output Distributions ................................................. 12  

3.3. Error Studies ………………………………………………………….................................................. 15  

  

4.  THE CH‐DTL PART ……………................................................................................................. 16  

4.1. Design and Simulation Results  ................................................................................. 16  

4.2. Error Studies ………………………………………………………….................................................. 19  

  

5.  CONCLUSIONS …................................................................................................................. 21  

  

6.  REFERENCES ...................................................................................................................... 23 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 4: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

4

1. INTRODUCTION 

  

Launched by the European Commission in 2005 and ended in 2010, EUROTRANS [1] was a 

EUROpean  research  programme  for  the  TRANSmutation  of  high  level  nuclear waste  in  an 

accelerator driven system. As a successor of the EUROTRANS project, MAX [2], the so‐called 

MYRRHA Accelerator eXperiment research and development programme, has been started in 

2011 and will continue until 2014.  

Different than EUROTRANS which was a pure research project, MAX is pursuing not only to 

continue  the R&D  studies but  also  to deliver  an updated  consolidated design  for  the  real 

construction including prototyping and demonstration in Mol, Belgium.  

Table 1: Specifications of the required proton beams for EUROTRANS & MAX. 

Parameter  EUROTRANS 

XT‐ADS 

EUROTRANS 

EFIT MAX 

Operation (Design)  intensity [mA]  2.5 – 4 ( 5 )  20 ( 30 )  2.5 – 4 ( 5 ) 

Output energy [MeV]  600  800  600 

Beam trip number   >1s: <5 per 3‐month operation cycle  >1s: <3 per year >3s: <10 per 3‐month 

operation cycle 

Beam stability (on target)  Energy: ± 1 %, Intensity: ± 2 %, Beam Size: ± 10 % 

Beam time structure  CW,  with 200μs zero‐current holes at 1 Hz repetition frequency 

 

The  specifications of  the  required proton beams  for EUROTRANS  (including both XT‐ADS 

and EFIT phases) & MAX are listed in Table 1, where the most demanding requirement is that 

the beam  trips  (i.e.  the beam  interruptions on  the  target) with “long” duration periods  (in 

the order of second) have been restricted to very small amounts, because such beam trips 

will cause serious thermal stress and fatal damages to the sub‐critical core. These beam‐trip 

limits are  two or  three orders of magnitude  lower  than  typical  values  found with existing 

Page 5: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

5

accelerators  [3],  so  the primary  concern  for  the design of  the EUROTRANS or MAX driver 

linac is how to ensure such extremely high reliability.  

In the table  it’s also seen that, except the slightly different beam‐trip  limit all other beam 

specifications for MAX are identical to those for XT‐ADS. Therefore, it has been decided that 

the  layout of the driver  linac for MAX will follow the reference design made for the XT‐ADS 

phase of  the EUROTRANS project. Fig. 1 shows  the schematic plots of  the driver  linacs  for 

both EUROTRANS and MAX. It can be seen that the required MAX accelerator is very similar 

to that for the XT‐ADS phase of EUROTRANS, except the linac front end. 

 

Figure 1: The driver‐linac layout for EUROTRANS and MAX. 

During  the  EUROTRANS  project,  a  352MHz,  17MeV,  and  upgradeable  5‐30mA  injector,  

which consists of one RFQ accelerator, two RT (room‐temperature) CH (Cross‐bar H‐mode)‐

DTL (Drift‐Tube Linac) cavities, and four SC (superconducting) CH‐DTL cavities, was designed 

and successfully accepted as the reference design by the project [4]. As shown in Fig. 1, the 

MAX  injector will  use  the  basic  layout  design  from  the  EUROTRANS  one,  but  some  new 

design strategies and approaches, e.g. different resonant frequency and different type of the 

RFQ  structure, have been proposed and applied  to  reach a more  reliable CW operation at 

reduced costs [5]. 

In this deliverable, the 352MHz injector designed for EUROTRANS and the 176MHz one for 

MAX are compared in detail. 

Page 6: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

6

 

2. FROM EUROTRANS TO MAX: NEW DESIGN CONCEPTS FOR THE INJECTOR 

 

From EUROTRANS to MAX, some requirements have been changed. Cooled by liquid Pb‐Bi 

eutectic, the MYRRHA reactor will have a thermal power of ~80MWth in the ADS mode. The 

core  geometry  is  optimized  for  an  impinging  proton  beam  energy  of  600 MeV.  Based  on 

these  data,  it  is  found  that  the  required  beam  intensity  varies  between  2.5  and  4 mA, 

depending on the burnup of the nuclear  fuel  [6]. Therefore, only 5mA will be taken as the 

design beam  intensity,  and  the higher design  intensity, 30mA,  is not  an option  any more. 

Besides, the main differences for the linac front end are [5]: 1) The resonant frequency was 

lowered by a factor of 2,  i.e. from 352MHz to 176MHz. 2) The 4‐vane RFQ structure  is now 

replaced by the 4‐rod one. 3) The input and output energies of the RFQ were reduced from 

0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between 

the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly dropped to 3.5MeV.  

 

2.1. 352 MHz vs. 176 MHz  

 

The most important change in the injector design is that the resonant frequency is lowered 

from 352MHz to 176MHz. The considerations for this change are as follows: 

The main point is the fact, as indicated in Fig. 2, that the shunt impedance of an RFQ, Rp, is 

roughly  proportional  to  f  ‐1.5.  Therefore,  a major  advantage  for  adopting  a  half  resonant 

frequency is that the RF power consumption can be considably reduced.  

The  lower  frequency  also  enables  the  use  of  the  4‐rod  RFQ  structure  instead  of  the 

originally  proposed  4‐vane  one.  Fig.  3  compares  these  two  kinds  of  mainstream  RFQ 

resonant  structures. The 4‐vane  structure works  in  the TE‐mode and  its RF properties are 

determined not only by the vanes but also by the cavity wall, while the 4‐rod one is actually a 

chain of λ/4 resonators and  its  inner structure  is almost  independent to the cavity wall. The 

pros and cons of the 4‐vane RFQ are that it has relatively even RF power density and could be 

easily cooled, but it will have a large radial size at frequencies ≤200MHz and the construction 

and tuning are relatively complicated and expensive due to very tight tolerances.  In case of 

the 4‐rod RFQ,  it could always have a compact radial size and an easy construction, tuning, 

Page 7: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

7

and even  repair, but  its  local RF power density  is  typically ~2  times higher. At  frequencies 

higher than 300MHz, the 4‐vane structure is certainly the best choice for CW operation,  but 

at 176MHz, the 4‐rod structure is more attractive. 

 

 

Figure 2: A survey of Rp values for RFQ accelerators (the original plot with the data marked in 

black is from [7]; in [8], the data marked in blue was added; the data marked in green are 

newly added, where the value for the IFMIF‐EVEDA RFQ was kindly provided by Dr. A. Pisent). 

 

Figure 3: RFQ resonant structures. 

Page 8: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

8

 

2.2. Other Major Changes  

 

As the test facility in Mol will be operated with beam intensities up to 4 mA, only 5mA will 

be taken as the design intensity. Consequently, the inter‐vane voltage could have a drop from 

65kV to 40kV in order to further reduce the RF power per length by ~40%. 

The length of the RFQ could be kept constant by lowering the input and output energies by 

40% and 50%,  respectively. The 4m  long  structure which allows  to use only one  tank  is  in 

principle similar to the SARAF RFQ [9] which can be operated in CW mode with much higher 

power (more than 180kW) than we need for the MAX RFQ. 

For the CH‐DTL, the  input energy  is now  lowered from 3MeV to 1.5MeV. Though  it brings 

some difficulties to the beam dynamics design, it is favorable from the cavity design point of 

view: 1) The effective shunt impedance Zeff which is roughly proportional to ß‐1 (see Fig. 4) is 

increased by ~30%, which  saves RF power as well as makes  the  cooling easier. 2)  It  could 

compensate  the  cell  length  growth  caused  by  the  lowered  frequency.  Actually,  the  new 

frequency is also helpful for the CH‐cavity design. For example, the first cell of the first RT‐CH 

was  lengthened  from  3.4cm  to  4.8cm,  which  provides more  space  for  the  field  flatness 

tuning.  

 

Figure 4: RF power efficiency of multi‐cell structures [10, 11]. 

Page 9: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

9

As  in  the EUROTRANS case,  the  two RT‐CHs will also cover an energy gain of 2MeV, but 

both at 34% lower accelerating gradients Ea for further reducing RF power. In the new design, 

the triplets have been moved further  into the cavities (85mm  instead of 35mm), which will 

not only lead to a better field flatness but also save the drift space. In total, this part will be 

still maintained compact.  

The  four  SC‐CHs  have  been  decided  to  keep working  at  Ea≈4MV/m.  They will  take  over 

some additional energy gain which was cut in the RFQ, so the total length will be somewhat 

longer.  However,  only  a  5mA  beam will  be  fed  into  the MAX  injector,  so  some  focusing 

elements from the previous design e.g. the 2nd rebuncher cavity and two solenoids could be 

removed.  Totally,  the whole CH‐DTL part  is even  shorter. Moreover,  the new  SC‐CHs have 

much less gaps, which makes the construction work (e.g. welding) easier and cheaper. 

 

3. THE RFQ ACCELERATOR 

 

Same to the EUROTRANS case, the beam dynamics design of the MAX RFQ was based on 

the New  Four‐Section  Procedure  (NFSP)  [12,  13],  an  efficient  design method  for modern 

RFQs, while  the beam  transport simulation was also performed with  the PARMTEQM code 

[14] using 105 input macro‐particles. 

 

3.1. Design and Simulation Results 

 

In Table 2, the detailed design and simulation results at 5mA for both the EUROTRANS RFQ 

and the MAX RFQ are presented. For a good comparison, the corresponding parameters of 

the  SARAF  RFQ  for  accelerating  protons  are  also  listed  in  the  table.  Obviously,  from 

EUROTRANS to MAX, the transmission and transverse output emittances are still very similar, 

but  the  longitudinal output emittance  is decreased considerably.  In addition,  the Kilpatrick 

factor is now only 1, well below 1.8, a safe value proven by the LEDA RFQ for CW operation 

[15].  And  the  minimum  gap  between  electrodes  is  enlarged  by  1mm.  Both  results  are 

favorable for  leading to a very reliable CW operation. Generally speaking, the MAX RFQ has 

quite  similar main RF  and  geometric parameters  to  the built  SARAF RFQ,  so  the Rp  value 

measured from the latter, 67 kΩm, could be used as a reference and we could easily estimate 

Page 10: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

10

that the RF power of the former is 23.5kW/m. The SARAF experiments have shown that for 

one 8‐hour CW operation at 40kW/m only two beam trips (in the order of ms) happened and 

the  reached power  record  for CW operation  is 50kW/m  [16]. Therefore,  it’s clear  that  the 

MAX RFQ design is very reliable. 

Comparing  the EUROTRANS 4‐vane RFQ with  the MAX 4‐rod RFQ,  it  should be aware of 

course  that  the  lower  frequency would also be  a  corresponding advantage  for  the 4‐vane 

RFQ, but would require a very bulky, heavy, and expensive cavity. 

Table 2: RFQ parameters for EUROTRANS & MAX. 

Parameter  EUROTRANS@5mA MAX  SARAF (H+) 

f [MHz]  352  176  176 

I [mA]  5  5  5 

Win / Wout [MeV]  0.05 / 3  0.03 / 1.5  0.02 / 1.5 

U [kV]  65  40  32.5 

Es, max / Ek   1.7  1  0.8 

amin [mm]  2.3  2.9  2.7 

mmax   1.8  2.3  2.7 

gmin [mm]  2.6  3.6  3.7 

εint., n., rms [π mm‐mrad]  0.2  0.2  0.175 

εoutt., n., rms [π mm‐mrad]  0.21 / 0.20  0.22 / 0.22  0.19* / 0.19* 

εoutl., rms [π keV‐deg]  109  64.6  36* 

L [m]  4.3  4.0  3.8 

T [%]  ~100  ~100  95.5* 

T10mA [%]  ~100  ~100  92.3* 

Rp [kΩm]  61 (MWS)  67 (after SARAF)  67 (meas.) 

Pc [kW]  300 (MWS, +20%)  94  60 

* Simulated by A. Bechtold using the RFQSim code (no image effects or multipole effects). 

Page 11: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

11

At 5mA,  the beam  tranport plots  for both  the EUROTRANS RFQ and  the MAX RFQ are 

compared in Fig. 5.  

 

 

Figure 5: Beam transport plots of the EUROTRANS (top) and MAX (bottom) RFQs. 

Page 12: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

12

 

3.2. Simulation Based on the LEBT Output Distributions  

 

Fig. 6 shows two versions of the LEBT (Low Energy Beam Transport) section designed by 

J.‐L. Biarrotte for the MAX project [17].  

 

 

 

Figure 6: Schematic layouts of the MAX LEBT (top: short version, bottom: long version) [17]. 

For  the  design  of  the MAX  RFQ,  a  4D‐Waterbag  distribution was  used.  By  taking  the 

output  particle  distributions  from  both  short  and  long  LEBT  versions  as  the  input 

distributions, new RFQ simulations were performed. Fig. 7 and Fig. 8 show that the input and 

output  distributions  at  the  beginning  and  at  the  exit  of  the  RFQ  for  the  different  cases, 

respectively. 

Page 13: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

13

 

 

Figure 7: RFQ simulation results based on the short LEBT (top: transient, bottom: nominal). 

Page 14: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

14

 

 

Figure 8: RFQ simulation results based on the long LEBT (top: transient, bottom: nominal). 

Page 15: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

15

Table 3 summarizes the beam performance with different  input distributions.  It can be 

seen  that  the  beam‐loss  situation  and  the  transverse  emittance  growths  are  still  very 

satisfying  in all cases.    Induced by the wing‐form halo particles  from both LEBT designs, all 

output longitudinal emittances are somewhat bigger, but still acceptable.  

Table 3: RFQ beam performance with different input distributions. 

Parameter  4D‐WaterbagShort LEBT

transient 

Short LEBT

nominal 

Long LEBT 

transient 

Long LEBT 

nominal 

εint., n., rms [π mm‐mrad]  0.20  0.18  0.16  0.14  0.14 

εoutx., n., rms [π mm‐mrad]  0.22  0.20  0.17  0.17  0.15 

εouty., n., rms [π mm‐mrad]  0.22  0.20  0.16  0.17  0.15 

εoutl., rms [π keV‐deg]  64.6  92.4  92.7  108  80 

T [%]  100  99  98.5  98.2  98.6 

 

3.3. Error Studies  

 

The  error  studies  have  been  carried  out  for  the MAX  RFQ with  respect  to  seven  input 

parameters:  the  intensity, emittance,  inter‐vane  voltage, Twiss parameters, energy  spread, 

and spatial displacement, respectively. Table 4 gives the error settings, while Fig. 9 shows the 

lowest transmission is higher than 97% in all tested cases.  

Table 4: Error study settings and results of the MAX RFQ. 

Parameter  Start value  End value  Design value Step length  Tmin [%] 

Iin [mA]  0.5  9.5  5  1.5  99.9 

εint., un. [π cm‐rad]  0.006  0.024  0.015  0.003  99.6 

U [%]  97  103  100  1  99.8 

Twiss α   0.28  1.48  0.88  0.2  97.9 

Twiss ß [cm/rad]  2.48  5.48  3.98  0.5  97.5 

ΔW [%]  2  12  0.0  2  ~100 

δx [mm]  0.1  0.6  0.0  0.1  99.5 

Page 16: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

16

 

 

Figure 9: Transmission as a function of test step for different input parameters. 

 

4. THE CH‐DTL PART 

 

Same to the EUROTRANS case, the beam dynamics design of the MAX CH‐DTL was based 

on the KONUS method  [18], while the beam transport simulation was also performed with 

the LORASR code [19]. Besides, the RF structure design was made using the MWS software. 

 

4.1. Design and Simulation Results 

 

In Table 5, the detailed design and simulation results at 5mA  for both the EUROTRANS 

CH‐DTL and the MAX CH‐DTL are compared. And  in Fig. 10, the  first room‐temperature CH 

cavities and the first superconducting CH cavities of   the EUROTRANS CH‐DTL and the MAX 

CH‐DTL are shown. 

 

 

Page 17: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

17

Table 5: CH‐DTL parameters for EUROTRANS & MAX. 

  EUROTRANS  MAX 

  Veff  Lcell  ßavg  Ea  Veff  Lcell  ßavg  Ea 

  [MV]  [m]    [MV/m]  [MV]  [m]    [MV/m] 

RB1  0.19  0.07  0.08  2.79  0.12  0.10  0.06  1.25 

RT1  1.16  0.40  0.09  2.91  1.03  0.54  0.06  1.91 

RT2  1.30  0.50  0.10  2.59  1.14  0.66  0.08  1.72 

RB2  0.47  0.09  0.10  5.23  –  –  –  – 

SC1  2.54  0.63  0.11  4.00  3.50  0.87  0.10  4.02 

SC2  3.22  0.81  0.14  3.99  3.98  1.01  0.13  3.94 

SC3  3.74  0.94  0.16  3.99  4.18  1.07  0.16  3.89 

SC4  3.76  1.05  0.18  3.57  4.09  1.07  0.18  3.82 

 

 

         

     

Figure 10: 1st RT CH cavities (left) and 1st SC CH cavities (right)  

for EUROTRANS (top) [20] and MAX (bottom) [21]. 

Page 18: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

18

  

 

Figure 11: Beam transport plots of the EUROTRANS (top) and MAX (bottom) CH‐DTLs. 

Page 19: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

19

In Fig. 11, the maximum transverse beam sizes along the accelerating channel are plotted 

for EUROTRANS and MAX, respectively.    In both cases, a  large safety margin  is available. At 

the exit of  the MAX  injector,  the phase  spread  is ~15°  (1.36cm)  and  the energy  spread  is 

~300keV.  In  the  acceptance  plot  of  the  17MeV,  352MHz  Spoke  cavity  provided  by  J.‐

L. Biarrotte  [22],  it  can  be  seen maximally  a  ~0.6ns  (3.44cm)  long  beam with  an  energy 

spread of ±300keV can be accepted.  

 

4.2. Error Studies  

 

Error studies have been also performed for the MAX CH‐DTL. Randomly generated by the 

LORASR code, the introduced lens and cavity errors are Gaussian distributed and truncated at 

the 2σ‐width within  the  ranges given  in Table 6, where QMIS, QROT, VERR, and PERR are 

indicating  transverse  lens offset errors,  lens  rotation errors,  tank  / gap voltage errors, and 

tank phase errors, respectively. 

Table 6: Error settings for the MAX CH‐DTL. 

Error Type  Error Settings 

QMIS [mm]  ΔX, ΔY =±0.1 

QROT [mrad]  Δφx, y=±1.5, φz=±2.5 

VERR [%]  ΔUgap=±5, ΔUtank=±1 

PERR [°]  ΔΦtank=±1 

 

The common transverse beam envelopes for 100 non‐ideal CH‐DTLs and the additional rms 

emittance growths caused by the above‐mentioned errors are plotted in Fig. 12 and Fig. 13, 

respectively. Not  only no beam  loss has been  observed, but  also  it’s  clear  that  the beam 

quality at the end of the  injector  is still kept good. The maximum additional rms emittance 

growths for the x, y and z planes are only 8%, 12% and 15%, respectively. 

 

Page 20: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

20

 

Figure 12: Common transverse beam envelopes with (red) and without (green) errors for the 

MAX CH‐DTL. 

 

Figure 13: Additional emittance growths caused by errors for the MAX CH‐DTL. 

Page 21: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

21

 

5. CONCLUSIONS 

 

Fig.  14  shows  the  schematic  layouts  of  both  the  352MHz  EUROTRANS  injector  and  the 

176MHz MAX  injector  together  (scaled  in  length).  In  the RFQ part,  the 4‐vane  structure  is 

now replaced by a shorter 4‐rod cavity. In the CH‐DTL part, now some focusing elements i.e. 

the  2nd  rebuncher  cavity  and  two  solenoids  are  removed,  the  triplets  are  inserted more 

deeply into the room‐temperature CH cavities, and steerer and diagnostics are now included. 

The beam properties at the end of the injector allow transfer into the 352MHz Spoke cavities 

and  further acceleration  in  the main  linac. As a  result of all above‐mentioned new design 

concepts and changes, the new layout is even 0.8m shorter at half the frequency. 

 

 

Figure 14: The 17MeV injectors for EUROTRANS (top) and MAX (bottom). 

An overview of the RF power consumption of the main RT cavities for the EUROTRANS and 

MAX injectors is given in Fig. 15, where the value for the 4‐vane RFQ was given by the MWS 

software  with  a  safety margin  of  20%,  that  for  the  4‐rod  RFQ  was  estimated  using  the 

Page 22: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

22

measured shunt‐impedance of the SARAF RFQ, 67kΩm [16], and those for the RT‐CHs were 

obtained from MWS with a safety margin of 15%. Clearly, the total power consumption for 

the warm part  is  considerably  reduced,  and more  important  that  all power  losses  for  the 

MAX  injector are well below 30kW/m, much  lower  than 50kW/m, a safe value  for  reliable 

CW operation proven by the SARAF RFQ [16]. 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

RFQ RT-1 RT-2 Total

EUROTRANS, Copper Power [kW]

MAX, Copper Power [kW]

EUROTRANS, Copper Power per Length [kW/m]

MAX, Copper Power per Length [kW/m]

 

Figure 15: RF power consumption of the main RT cavities. 

To sum up, the new injector will have: 

• A safer CW operation 

o Lower power density (<<50kW/m). 

o Greatly  reduced  sparking  risk  in  the  RFQ  by  increasing  the minimum  gap 

between electrodes  from 2.6mm  to 3.6mm and decreasing  the  inter‐vane 

voltage from 65kV to 40kV. 

o Less components, so less error sources. 

• Still good beam performance 

o No beam losses. 

o Small emittance growths. 

• Reduced costs  

o 4‐rod RFQ structure (easy construction, installation, tuning …). 

Page 23: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

23

o Lower copper power (cheaper RF sources & operation, easy cooling). 

o Less focusing elements. 

o Less gaps in the cold part (easier and cheaper welding). 

o Shorter layout. 

All above‐mentioned  results have  shown  that  the new design  concepts and approaches, 

especially to use 176MHz as the resonant frequency, will  lead to a not only cost‐saving but 

also more reliable injector for CW operation while keeping the beam dynamics performance 

satisfying.  

 

6. REFERENCES 

 

[1] http://nuklear‐server.ka.fzk.de/eurotrans/. 

[2] http://ipnweb.in2p3.fr/MAX/. 

[3] N. Pichoff, H. Safa, “Reliability of Superconducting Cavities in a High Power Proton Linac”, 

Proceedings  of  the  7th  European  Particle  Accelerator  Conference,  Vienna,  Austria,  pp. 

2049‐2051 (June 26‐30, 2000). 

[4] C.  Zhang, M.  Busch, H.  Klein, H.  Podlech, U.  Ratzinger,  J.‐L.  Biarrotte,  “Reliability  and 

Current‐Adaptability  Studies  of  a  352MHz,  17MeV,  Continuous‐Wave  Injector  for  an 

Accelerator‐Driven System”, Phys. Rev. ST ‐ AB 13, 080101 (2011). 

[5] C.  Zhang,  H.  Klein,  D. Mäder,  H.  Podlech, U.  Ratzinger,  A.  Schempp,  R.  Tiede,  “From 

EUROTRANS  to MAX: New  Strategies  and  Approaches  for  the  Injector Development”, 

IPAC’11, San Sebastian, Spain, pp.2583‐2585 (September 2011). 

[6] Dirk  Vandeplassche,  Jean‐Luc  Biarrotte,  Horst  Klein,  Holger  Podlech,  “The  MYRRHA 

Linear Accelerator”,  Proceedings  of  the  10th  International  Topical Meeting  on Nuclear 

Applications of Accelerators, Knoxville, USA (April 3‐7, 2011). 

[7]  A. Schempp, Habilitationsschrift, Frankfurt University (1990).  

[8]  T. Sieber, PhD Thesis, Frankfurt University (2001). 

[9]  P. Fischer, PhD Thesis, Frankfurt University (2007). 

[10] U. Ratzinger, Habilitationsschrift, Frankfurt University (1998). 

[11] H. Podlech, Habilitationsschrift, Frankfurt University (2008). 

Page 24: 120222;MAX Deliverable 2.1 CZipn · 0.05MeV and 3MeV to 0.03MeV and 1.5MeV, respectively. 4) The transition‐energy between the warm CH‐DTL part and the cold one has been accordingly

[MAX] (D‐2.1) – 352 MHz vs. 176 MHz ‐ Injector Comparison & Choice 

24

[12]  C.  Zhang,  Z.Y. Guo, A.  Schempp,  R.A.  Jameson,  J.E.  Chen,  J.X.  Fang,  “Low‐Beam‐Loss 

Design of a Compact, High‐Current Deuteron Radio Frequency Quadrupole Accelerator”, 

Phys. Rev. ST ‐ AB 7, 100101 (2004). 

[13] C. Zhang, A. Schempp, “Beam Dynamics Studies on a 200mA Proton Radio Frequency 

Quadrupole Accelerator”, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect., A, Volume 586, Issue 

2, pp.153‐159 (2008). 

[14] K.R. Crandall, LANL Internal Report, Nr. LA‐UR‐96‐1836 (Revised December 7, 2005). 

[15]  L.M.  Young,  “Simulations  of  the  LEDA  RFQ  6.7MeV  Accelerator”,  Proceedings  of  the 

1997 Particle Accelerator Conference  in Vancouver, B.C., Canada, pp. 2752‐2754  (May 

12‐16, 1997). 

[16] Discussions with Dr. A. Bechtold, NTG, Germany. 

[17] J.‐L. Biarrotte, “MYRRHA LEBT Preliminary Design Report” (July 18, 2011). 

[18] U. Ratzinger, R. Tiede, “Status of  the HIIF RF Linac Study Based on H‐Mode Cavities”, 

Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect., A, Volume 415, pp.229‐235 (1998).  

[19] R.  Tiede, G. Clemente, H.  Podlech, U. Ratzinger, A.  Sauer,  S. Minaev,  “LORASR Code 

Development”,  Proceedings  of  the  10th  European  Particle  Accelerator  Conference  in 

Edinburgh, Scotland, United Kingdom, pp. 2194‐2196 (June 26‐30, 2006). 

[20] F. Dziuba, Diplom Thesis, Frankfurt University (2010). 

[21] Dominik Mäder, Horst Klein, Holger Podlech, Ulrich Ratzinger, Markus Vossberg, Chuan 

Zhang, “Development of CH‐Cavities  for the 17 MeV MYRRHA‐Injector”, Proceedings of 

the 2nd  International Particle Accelerator Conference  in San Sebastian, Spain, pp.2571‐

2573 (May 4‐9, 2011). 

[22] J.‐L. Biarrotte, private communication.