[論文レビュー] An Upgrade Path for the Fermilab Accelerator Complex

R. Ainsworth, J. Dey+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、DUNE/LBNFニュートリノ計画のビーム出力を1.2 MWから2.4 MWに引き上げるため、老朽化したブースター加速器を置き換える包括的なアップグレード計画を提案している。2 GeVの高速サイクリングシンクロトロン（RCS）を導入し、PIP-IIリニアックを2 GeVにアップグレードすることで、高強度運転を可能にし、将来的な4 MWアップグレードにも対応する。この計画により、低エネルギーや中間エネルギーや物理学実験の新たな機会が開かれる。

ABSTRACT

The completion of the PIP-II project and its superconducting linear accelerator will provide up to 1.2 MW of beam power to the LBNF/DUNE facility for neutrino physics. It will also be able to produce high-power beams directly from the linac that can be used for lower-energy particle physics experiments as well, such as directing beam toward the Muon Campus at Fermilab for example. Any further significant upgrade of the beam power to DUNE, however, will be impeded by the limitations of the present Booster synchrotron at the facility. To increase the power to DUNE by a factor of two would require a new accelerator arrangement to feed the Main Injector that does not include the Booster. In what follows, a path toward upgrading the Fermilab accelerator complex to bring the beam power for DUNE to 2.4 MW is presented, using a new rapid-cycling synchrotron plus an energy upgrade to the PIP-II linac. The path includes the ability to instigate a new lower-energy, very high-power beam delivery system for experiments that can address much of the science program presented by the Booster Replacement Science Working Group. It also allows for the future possibility to go beyond 2.4 MW up to roughly 4 MW from the Main Injector.

研究の動機と目的

• 現在のフェルミラブ・ブースター・シンクロトロンの制限により、DUNE/LBNFニュートリノ計画のビーム出力を1.2 MWを超えて増加させる際の根本的ボトルネックを解消する。
• ブースターを新しい高速サイクリングシンクロトロン（RCS）に置き換えることで、メインインジェクタへの2.4 MWビーム出力アップグレードを実現する。
• 2 GeVおよび約8 GeVのエネルギーでMWクラスのビーム供給を可能にすることで、低エネルギーや中間エネルギーや物理学実験の幅広いポートフォリオを支援する。
• 繰り返しレートの向上とRF性能の向上を最適化することで、将来の約4 MWまでのアップグレードに対応する。
• 加速器科学および技術分野の進展に合わせた設計を整えることで、長期的な科学的進歩の柔軟性を維持する。

提案手法

• フェルミラブ・ブースターを置き換え、2 GeVの高速サイクリングシンクロトロン（RCS）を導入し、直接的にメインインジェクタに高強度プロトンビームを供給する。
• PIP-II超伝導リニアックのエネルギーを0.8 GeVから2.0 GeVにアップグレードし、RCSへの注入時の空間電荷効果を低減し、ビーム品質を向上させる。
• 環境影響評価を再実施する必要がないように、PIP-IIリニアックトンネルを約400 ft延長する。
• コスト削減と段階的導入を可能にするために、エネルギーアップグレードを段階的でパulsesのみのモードで実施する。
• メインインジェクタのRFシステムに追加の駅（最大33個のキャビティ）を設置し、600 GeV/secの加速レートを達成する。これには合計約7.5 MVのRF電圧が必要となる。
• RCSのリズムと注入方式を最適化し、高強度運転を可能にするとともに、加速レートの向上とRF性能の向上により、将来的な4 MWアップグレードを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のブースター・シンクロトロンの制限を踏まえ、DUNE/LBNFのビーム出力を1.2 MWから2.4 MWに引き上げるための最適な加速器構成は何か？
• RQ2 新しいRCSへの注入を最適化するため、PIP-IIリニアックを2 GeVにアップグレードするにはどのような方法が有効か？また、空間電荷効果の低減とビーム品質の向上はどのように達成できるか？
• RQ3 2.4 MWのビーム出力と将来的な4 MW運用をサポートするための新しい高速サイクリングシンクロトロンの技術的・運用的要件は何か？
• RQ4 メインインジェクタのRFシステムをどのようにアップグレードすれば、より高いビーム強度と短いサイクル時間に対応できるか？
• RQ5 低エネルギー（約2 GeV）と中間エネルギー（約8 GeV）の両方で同時に高出力ビーム供給を実現することは可能か？その実現可能性は？

主な発見

• 提案されたアップグレード計画により、フェルミラブ・ブースターを新しい2 GeVの高速サイクリングシンクロトロン（RCS）に置き換えることで、メインインジェクタへの2.4 MWビーム出力アップグレードが可能になる。
• PIP-IIリニアックを2.0 GeVにアップグレードし、400 ftのトンネル延長を実施することで、新たな環境影響評価を必要とせず、段階的で費用対効果の高い導入が可能になる。
• 新しいRCS設計は、600 GeV/secの加速レートで1秒間に最大1.85×10^14個の陽子を注入可能であり、31〜33個のキャビティを介して合計7.5 MVのRF電圧を必要とする。
• アップグレード計画は、メインインジェクタの加速レートを向上させ、RF性能を向上させることで、将来的な4 MWビーム出力アップグレードに対応可能である。
• 新しい加速器構成により、約2 GeVおよび約8 GeVの両方で同時に高出力ビーム供給が可能となり、低エネルギーや中間エネルギーや物理学実験の幅広いポートフォリオが実現可能になる。
• スリップスタッキングの必要性が消失するため、リカバリー・リングはおそらく退役させられる。これは、新しいRCSがより高い強度と繰り返しレートを備えているためである。