[論文レビュー] A Superconductive, Low Beta Single Gap Cavity for a High Intensity Proton Linac

A. Facco, M. Pasini+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2000

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、5–100 MeVのエネルギー範囲における高強度陽子リニアックに向けた、352 MHzの新しい超伝導再入型キャビティを提案している。このキャビティは、低β運転と独立位相超伝導リニアック（ISCL）アーキテクチャにおける高い信頼性を最適化したものであり、単一ギャップ、軸対称性、およびニッブium共振器に統合された機械的強化型ヘリウム容器を備え、圧力を耐えられ、壁の変位を最小限に抑え、幾何学的形状によるマルチパクティングの効果的抑制を実現している。

ABSTRACT

A single gap, 352 MHz superconducting reentrant cavity for 5-100 MeV beams has been designed and it is presently under construction. This development is being done in the framework of a 30 mA proton linac project for nuclear waste transmutation. Mechanical, cryogenic and rf design characteristics of such cavities will be described.

研究の動機と目的

• 5–100 MeVエネルギー範囲の30 mA陽子リニアックに向けた信頼性の高い低β超伝導キャビティの設計。
• 超伝導技術を用いた高ドゥーティーサイクル陽子リニアックにおける高電力密度およびビーム損失の課題に対処すること。
• 1つのキャビティが故障しても継続して運転可能な独立位相超伝導リニアック（ISCL）において、高ビームMTBFを実現すること。
• キャビティの共振器およびエクアトリアル領域の幾何学的形状を戦略的に変更することでマルチパクティングを抑制すること。
• 冷却器容器を共振器構造に統合することで、ヘリウム圧力下での壁の変位を最小限に抑え、構造的安定性を向上させる機械的強靭な設計を開発すること。

提案手法

• RFパラメータ最適化のため、SUPERFISHコードを用いてキャビティを設計。共振器長は80 mm、全長は135 mm。
• マルチパクティングのシミュレーションにはTWTRAJを用い、50,000回以上の計算を実施し、高磁場マルチパクティングレベルを特定・除去。
• 機械的設計では、ヘリウム容器をニッブium共振器壁に直接統合し、圧力力の合成を相殺し、1 bar圧力下で最大20 µmの壁変位に制限。
• RF出力およびヘリウム圧力による周波数のずれ補正のため、圧電素子または磁歪素子を用いた「ナッツクラッカー型」チューナーを選定。
• 空間的制約のため、エクアトリアル部に誘導結合器を採用。同軸容量結合器は実用的でないと判断。
• 表面電界および磁界を低く抑える（≤25 MV/m、4.2 KにおけるRBCS ≈ 58 nΩ）ことを最優先とし、複雑さと信頼性を高めるためにシャントインピーダンスの最大化を避けた設計。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一ギャップ、低β超伝導キャビティは、30 mAビーム電流の高強度陽子リニアックで安定的かつ高信頼性な運用を達成できるか？
• RQ2 狭いギャップおよび平板形状を有する再入型キャビティにおいて、マルチパクティングはどのように抑制できるか？
• RQ3 平板で広い超伝導共振器に作用する高圧力力を効果的に管理する機械的設計アプローチは何か？
• RQ4 機械的に統合されたヘリウム容器は、壁の変位を低減させ、構造的安定性を向上させることができるか？
• RQ5 低シャントインピーダンス、単一ギャップキャビティは、高ドゥーティーサイクルISCL構成において、ビーム品質および効率をどの程度維持できるか？

主な発見

• 最大表面電界は25 MV/m、全RF表面抵抗は100 nΩを達成。銅の計算されたR'shは18 MΩ/m。
• エクアトリアル部を楕円形断面（軸比1:1.5）に再形状することで、マルチパクティングが効果的に抑制され、すべての高磁場マルチパクティングレベルが除去された。
• 機械的シミュレーションにより、1 barヘリウム圧力下で最大20 µmの壁変位にとどまり、冷却器容器を共振器に統合することで力の合成がほぼ相殺された。
• キャビティは8.3 MV/mの加速電場を設計し、1キャビティあたり7 W未満の消費電力で運用可能であり、15 kWまでのビームローディング損失なしに運用可能。
• ローレンツ力による周波数ずれは約170 Hz/(MV/m)²、ヘリウム圧力によるずれは約140 Hz/mbarであり、剛性の高いチューナーを用いることで20 Hz/mbarにまで低減され、安定した連続運転が可能となった。
• プロトタイプは現在製作中であり、2000年中に初回のRF試験が予定されており、加速器駆動系（ADS）応用におけるISCL応用の設計妥当性が検証される。