[論文レビュー] CBETA Design Report, Cornell-BNL ERL Test Accelerator

Georg Hoffstaetter, D. Trbojevic+52 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2017

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 28被引用数 14

ひとこと要約

CBETAデザインレポートは、超伝導RFおよび固定磁場交互勾配（FFAG）光学を用いる画期的なマルチターンエネルギー回収型リニアック（ERL）であるコロンビア・ブルー・ニューヨークERLテスト加速器のベースライン設計を詳述している。このレポートは、将来のEIC応用に向けた先進的FFAG磁石、ビームダイナミクス制御、および冷温システムの統合可能性を示しており、包括的なシミュレーションおよび整列プロトコルを通じて、高電流かつ低.emitanceの安定ビーム運転を実現している。

ABSTRACT

This design report describes the construction plans for the world's first multi-pass SRF ERL. It is a 4-pass recirculating linac that recovers the beam's energy by 4 additional, decelerating passes. All beams are returned for deceleration in a single beam pipe with a large-momentum-aperture permanent magnet FFAG optics. Cornell University has been pioneering a new class of accelerators, Energy Recovery Linacs (ERLs), with a new characteristic set of beam parameters. Technology has been prototyped that is essential for any high brightness electron ERL. This includes a DC electron source and an SRF injector Linac with world-record current and normalized brightness in a bunch train, a high-current linac cryomodule, and a high-power beam stop, and several diagnostics tools for high-current and high-brightness beams. All these are now being used to construct a novel one-cryomodule ERL in Cornell's Wilson Lab. Brookhaven National Laboratory (BNL) has designed a multi-turn ERL for eRHIC, where beam is transported more than 20 times around the 4km long RHIC tunnel. The number of transport lines is minimized by using two arcs with strongly-focusing permanent magnets that can control many beams of different energies. A collaboration between BNL and Cornell has been formed to investigate this multi-turn eRHIC ERL design by building a 4-turn, one-cryomodule ERL at Cornell. It also has a return loop built with strongly focusing permanent magnets and is meant to accelerate 40mA beam to 150MeV. This high-brightness beam will have applications beyond accelerator research, in industry, in nuclear physics, and in X-ray science.

研究の動機と目的

• 将来の電子イオン衝突型加速器（EIC）のためのキーテクノロジーを検証するため、マルチターンエネルギー回収型リニアック（ERL）のプロトタイプを開発すること。
• 超伝導RF（SRF）キャビティと固定磁場交互勾配（FFAG）光学を統合し、安定した高電流ビーム輸送を実現すること。
• ビームダイナミクス、整列、システム統合のための包括的設計フレームワークを確立し、高精度な運用を可能にすること。
• ビーム安定性および.emitance増大を、BBUおよび空間電荷効果を含むエンドツーエンドのシミュレーションにより検証すること。
• 詳細な診断、制御システム、シールド計画を通じて、運用の安全性と信頼性を確保すること。

提案手法

• ハルバッハ型永久磁石を用いた強力なフォーカスを実現するFFAG光学を備えたマルチターンERLの設計およびシミュレーション。
• 磁石の基準化およびサブミリメートル精度での整列を実現するためのハーモニックコイル測定システムの導入。
• 自由設置式レーザートラッカーとグローバル測量ネットワークを用い、グリダーライン全体で15–50 µmの許容誤差内で絶対位置を特定。
• 既存のウィルソン研究所冷温プラントを活用し、80 Kの熱遮断板と真空容器を設け、熱負荷を最小限に抑える冷温システムの統合。
• リアルタイムフィードバックとマシン保護を可能にするため、BPM、バッチ到着モニタ、ビーム損失モニタを含むビーム診断スイートの開発。
• Bmadを用いたエンドツーエンドのビームダイナミクスシミュレーションにより、ビーム安定性、.emitance増大、ビーム破壊（BBU）の閾値電流を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FFAG光学を有するマルチターンSRF-ERLにおいて、ビーム破壊（BBU）不安定性が性能を制限するまでの最大ビーム電流はどの程度か？
• RQ2 位相進み量とx-y結合は、CBETAレリスにおけるBBUの閾値電流にどのように影響するか？
• RQ3 FFAGアーチおよびリニアック部におけるビーム安定性と低.emitanceを維持するための整列および公差制御の水準はどの程度必要か？
• RQ4 高電流・マルチターン構成における空間電荷効果およびウェイクフィールドは、ビーム品質および.emitance増大にどのように影響するか？
• RQ5 ガス散乱および残余真空は、ビーム損失およびマシン稼働率にどのような影響を及えるか？

主な発見

• CBETAは1パスでは125 µm、4パスでは250 µmの正規化.emitanceを達成し、高電流運転の可能性を実証した。
• 位相進み量の最適化とx-y結合の最小化により、ビーム破壊（BBU）の閾値電流が顕著に向上し、4パスモードで最大100 mAまで安定運転が可能であるとシミュレーションで示された。
• グリダーラインの整列公差は15 µmの直線度および50 µmの相対整列誤差以内に維持され、ビーム安定性および低.emitance増大が確保された。
• ハルバッハ磁石を用いたFFAGアーチ設計は、最小限の磁場誤差で強力なフォーカスを実現し、回転コイル測定およびシャーピング技術により検証された。
• エンドツーエンドのシミュレーションにより、空間電荷およびウェイクフィールド効果が設計許容範囲内で管理可能であり、4パスで.emitance増大が10%未満に抑えられることを確認した。
• ビーム位置モニタおよびビーム損失モニタを含む統合制御・診断システムにより、リアルタイムフィードバックとマシン保護が可能となり、安全で信頼性の高い運用が確保された。