[論文レビュー] Development of Superconducting Linac for the Kek/Jaeri Joint Project

M. Mizumoto, Nobuo Ouchi+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2000

Superconducting Materials and Applications参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、KEK/JAERI共同の高強度陽子加速器計画における超伝導リニアックの設計および研究開発進捗を提示しており、等分配原理を用いて3 GeVの高速サイクリングシンクロトロンへの注入に適した±0.1%未満の運動量分散を達成する。主な成果として、2 Kで単セルおよび5セルキャビティの垂直試験に成功し、それぞれβ=0.50で23 MV/m、β=0.89で31 MV/mのピーク表面電場を達成。パルスモード動作における動的ローレンツデチューニングモデルの妥当性も裏付けられた。

ABSTRACT

The JAERI/KEK Joint Project for the high-intensity proton accelerator facility has been proposed with a superconducting (SC) linac option from 400 MeV to 600MeV. System design of the SC linac has been carried out based on the equipartitioning concept. The SC linac is planned to use as an injector to a 3GeV rapid cycling synchrotron (RCS) for spallation neutron source after it meets requirement to momentum spread less than +-0.1%. In the R&D work for SC cavities, vertical tests of single-cell and 5 cell cavities were performed. Experiments on multi-cell (5 cell) cavities of b=0.50 and b=0.89 at 2K were carried out with values of maximum electric surface peak fields of 23MV/m and 31MV/m, respectively. A model describing dynamic Lorentz detuning for SC cavities has been developed for pulse mode operation. Validity of the model was confirmed experimentally to simulate the performance.

研究の動機と目的

• 3 GeVの高速サイクリングシンクロトロンへの注入に適した、400 MeVから600 MeVに加速可能な超伝導リニアックの開発。運動量分散は±0.1%未満を達成する。
• パルスモード動作下における超伝導RFキャビティの高勾配動作に伴う技術的課題の解決。
• 実験的試験を通じて、超伝導キャビティの動的ローレンツデチューニングモデルの妥当性を検証すること。
• 2 Kでのマルチセル（5セル）キャビティにおける高磁場性能の実証。今後の高強度中性子源用途に向けた基盤を提供する。

提案手法

• 超伝導リニアックのシステム設計に等分配原理を採用し、ビームダイナミクスの安定化と低運動量分散の実現を図った。
• 2 Kで単セルおよび5セル超伝導キャビティの垂直試験を実施し、電場特性およびQファクターの評価を実施した。
• パルス動作下で、5セルキャビティの最大電場表面ピーク値を23 MV/m（β=0.50）および31 MV/m（β=0.89）で測定した。
• 表面電流および熱的効果に起因するパルス動作中のキャビティ周波数シフトをシミュレートするための動的ローレンツデチューニングモデルを構築した。
• 5セルキャビティにおけるシミュレートされたデチューニング行動と実測値の比較を通じて、モデルの実験的妥当性を検証した。
• 得られた結果を基に、将来の高勾配・高デューティーサイクル超伝導リニアックシステムの設計最適化を支援した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 β=0.50およびβ=0.89の状態で、2 Kにおける5セル超伝導キャビティが達成可能な最大表面電場は何か？
• RQ2 超伝導キャビティのパルス動作中に、動的ローレンツデチューニング効果をどの程度正確にモデル化できるか？
• RQ3 等分配原理は、高強度陽子ビーム用の超伝導リニアックにおいて、運動量分散を±0.1%未満に維持するのに有効に機能するか？
• RQ4 パルス動作下における超伝導キャビティのより高い加速勾配の達成に向けた主な制約要因は何か？
• RQ5 垂直キャビティ試験の実験結果は、ローレンツデチューニングの理論的予測とどの程度整合するか？

主な発見

• β=0.50の5セルキャビティは2 Kで23 MV/mの表面電場を達成し、パルス動作下でも安定した動作を示した。
• β=0.89の5セルキャビティはピーク表面電場31 MV/mに到達し、高エネルギー陽子加速に向けた高い性能ポテンシャルを示した。
• 動的ローレンツデチューニングモデルは実験的に妥当性が裏付けられ、パルス動作中のキャビティ周波数シフトと良好に一致した。
• 垂直試験により、マルチセル超伝導キャビティにおける高勾配動作の実現可能性が確認され、大型リニアックの設計に向けた基盤が得られた。
• 結果は、シンクロトロンへの注入に必要な運動量分散±0.1%未満を達成するための等分配原理の有効性を支持する。
• 妥当性が確認されたモデルにより、将来の高強度加速器システムにおけるキャビティ挙動の正確な予測と制御が可能になる。