[論文レビュー] An 800-MeV superconducting LINAC to support megawatt proton operations at Fermilab

P. F. Derwent, S. D. Holmes+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2015

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、フェルミラブの加速器複合体の主要アップグレードとして、メガワットクラスの陽子ビーム運用を可能にする800-MeVの超伝導リニアックを提案している。設計は、既存のフェルミラブインfraストラクチャに新しい超伝導リニアックを統合することでビーム出力と効率を向上させ、将来のニュートリノ実験および高エネルギー物理学（HEP）実験に不可欠な持続的で高強度の陽子ビームを実現する。

ABSTRACT

Active discussion on the high energy physics priorities in the US carried out since summer of 2013 resulted in changes in Fermilab plans for future development of the existing accelerator complex. In particular, the scope of Project X was reduced to the support of the Long Base Neutrino Facility (LBNF) at the project first stage. The name of the facility was changed to the PIP-II (Proton Improvement Plan). This new facility is a logical extension of the existing Proton Improvement Plan aimed at doubling average power of the Fermilab's Booster and Main Injector (MI). Its design and required R&D are closely related to the Project X. The paper discusses the goals of this new facility and changes to the Project X linac introduced to support the goals.

研究の動機と目的

• フェルミラブでメガワットレベルの陽子ビーム運用を可能にし、将来の高エネルギー物理学およびニュートリノ実験を支援すること。
• ビーム出力と信頼性を向上させるために、プロジェクトXリニアックを再設計・アップグレードすること。
• フェルミラブ加速器複合体に新しい超伝導リニアックを統合し、ブースターおよびメインインジェクタの平均ビーム出力を倍増させること。
• 長基準長ニュートリノ施設（LBNF）を支援するために、安定性と効率が向上した高強度の陽子ビームを提供すること。
• 高出力陽子加速器向けの超伝導RF技術分野における研究開発を前進させること。

提案手法

• 超伝導RF（SRF）キャビティを用いて、陽子を効率的に加速する新しい800-MeV超伝導リニアックの設計。
• ブースターおよびメインインジェクタを含む既存のフェルミラブ加速器チェーンに新しいリニアックを統合し、全体のビーム出力を向上させること。
• SRFキャビティを2 Kで最適な性能を維持するために、高度な冷却システムを導入すること。
• ビームダイナミクスと縦方向位相空間制御を最適化し、発散角の増大を最小限に抑え、ビーム品質を最大化すること。
• 既存インフラを活用し、プロジェクトXリニアックを変更して、より高いビーム強度と繰り返しレートを可能にすること。
• メガワットレベルのビーム強度での信頼性を確保するため、ビーム損失およびエネルギー損傷低減戦略を適用すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミラブ加速器複合体は、どのようにして持続的なメガワットレベルの陽子ビーム運用を可能にするアップグレードが可能か？
• RQ2 ビーム出力を向上させ、信頼性を高めるために、プロジェクトXリニアックにどのような変更が必要か？
• RQ3 800 MeVで超伝導リニアックを統合することで、ビーム性能と効率はどのように向上するか？
• RQ4 陽子ビーム強度をメガワットレベルにスケーリングするにあたり、主な技術的課題は何か？
• RQ5 新しいリニアックは、長基準長ニュートリノ施設（LBNF）を支援するために果たす役割は何か？

主な発見

• 提案された800-MeV超伝導リニアックにより、平均ビーム出力が顕著に向上し、メガワットレベルの運用が可能になる。
• プロジェクトXリニアックの再設計により、より高いビーム強度と改善された安定性が実現され、高強度実験に不可欠な要件を満たす。
• フェルミラブ複合体に超伝導リニアックを統合することで、ブースターおよびメインインジェクタの平均ビーム出力を倍増できる。
• SRF技術の使用により、高い効率と低いビーム損失が確保され、持続的なメガワット運用に不可欠である。
• 施設は、長期間にわたり高強度の陽子ビームを提供できるよう設計されており、長基準長ニュートリノ施設（LBNF）を支援する。
• フェルミラブにおける高強度陽子加速器技術の将来的なアップグレードの基盤を確立する。