[論文レビュー] A High-Intensity H- Linac at CERN Based on LEP-2 Cavities

M. Vretenar|ArXiv.org|Aug 18, 2000

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 11被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、CERNで廃棄されたLEP-2キャビティとクリストロンを再利用して、2.2 GeVの超伝導性H⁻リニアックを提案し、将来の応用に向けた高強度陽子ビームを可能にする。このリニアックは、高デューティーサイクルでのパulses操作を想定しており、LEP-2キャビティの40%、クライオスタットの57%を再利用し、4 MWのビーム出力が達成可能であり、ニュートリノファクトリーの駆動源や次世代ラジオアイソトープビーム施設への応用を可能にする。

ABSTRACT

In view of a possible evolution of the CERN accelerator complex towards higher proton intensities, a 2.2 GeV H- linac with 4 MW beam power has been designed, for use in connection with an accumulator and compressor ring as proton driver of a muon-based Neutrino Factory. The high-energy part of this linac can use most of the RF equipment (superconducting cavities and klystrons) from the LEP collider after its decommissioning at the end of 2000. Recent results concerning low-beta superconducting cavities are presented, and the main characteristics of the linac design are described. The complete linac-based proton driver facility is outlined, and the impact on the linac design of the requirements specific to a Neutrino Factory is underlined.

研究の動機と目的

• この論文の目的は、2000年に廃止されたLEP-2のRF部品を再利用し、将来のCERN加速器計画を支援する高強度陽子リニアックを構築することにある。
• 2000年に廃止された後も貴重な超伝導RFハードウェアを再利用するという課題に取り組む。
• 目的は、PSリングにおけるビームの輝度と強度を向上させることであり、LHCおよび将来の実験を支援する。
• 特に低β値におけるLEP-2キャビティを陽子加速に使用する可能性を検討する。
• 4 MWのビーム出力を有する高パワー陽子駆動源を提供することで、ニュートリノファクトリーの開発を支援することを目的とする。

提案手法

• リニアック設計は、288個のLEP-2超伝導キャビティ（352.2 MHz、4.5 K）と36台のクリストロンを用い、LEP-2から陽子加速用に再利用する。
• リニアックは、アルヴァレス型およびサイドカップルドDTL構造を用いた常伝導セクション（7–120 MeV）と、4つのβセクション（0.52、0.7、0.8、1.0）を有する超伝導セクションに分かれている。
• β=0.52およびβ=0.7のキャビティは銅上にスパッタリングしたニオブiumを用い、β=0.8およびβ=1.0のキャビティは既存のLEP-2キャビティを再利用する。
• ローレンツ力による周波数ドレーニングおよび機械的振動への耐性を高めるためにフィードバックシステムを導入し、シミュレーションにより±40 Hzの周波数ジターテラランスに耐えうることを示した。
• 高デューティーサイクル（最大5%）のパulses動作モードを採用することで、 mains-to-RF効率を向上させ、冷却損失を低減する。
• CERNメイリニ・サイトへの統合を最適化し、既存のトンネルやインfraを活用することで、環境的影響と建設コストを最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 β=1で設計されたLEP-2超伝導キャビティを、低β値で陽子リニアックに再利用することは、実際に効果的に行えるか？
• RQ2 陽子エネルギーに応じたLEP-2キャビティの有効加速勾配はどのように変化するか？また、高パワー運転において経済的に実現可能となるエネルギー帯域はどこか？
• RQ3 機械的およびRF不安定性を有する再利用キャビティを用いた超伝導リニアックにおいて、ビーム品質と安定性をどのように維持できるか？
• RQ4 4 MWのビーム出力を2.2 GeVで達成するための最適なリニアック構成（常伝導および超伝導セクションを含む）は何か？効率的かつ損失を低減できる設計は？
• RQ5 既存のLEP-2 RFインfra（クリストロン、クライオスタット、カップラー）を、陽子リニアックにおける高デューティーサイクルパulses動作に適応可能か？

主な発見

• LEP-2キャビティは1 GeVで有効勾配7.5 MV/mを達成し、LEP-2運用中に一部のキャビティで最大9 MV/mを記録した。
• 1 GeV未満ではトランジットタイム要因が低いため、有効勾配が著しく低下し、1 GeV以上での運転が効率的である。
• プロトタイプのβ=0.8キャビティは10 MV/mに到達した。シミュレーションにより、新規のβ=0.8キャビティで9 MV/mの設計勾配が実現可能であると示された。
• フィードバックシステムは、ランダムなキャビティ周波数ジターテラランス±40 Hzに対しても、蓄積リングの±10 MeVのエネルギー分散許容範囲を超えないよう安定化できる。
• マルチパーティクルシミュレーションにより、入射ビームの不整合や部品誤差が存在する場合でも、超伝導セクションは安定したビームダイナミクスを示した。
• 提案されたリニアックレイアウトは、LEP-2キャビティの40%、クライオスタットの57%、およびすべてのクリストロンを再利用し、2.2 GeVで4 MWのビーム出力を達成可能であり、高い再利用性と低インfraコストを実現した。