[論文レビュー] Muon Acceleration to 750 GeV in the Tevatron Tunnel for a 1.5 TeV mu+ mu- Collider

D. J. Summers, L. Cremaldi+4 more|ArXiv.org|Jul 2, 2007

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、既存のテバトロントンネルを活用して1.5 TeVのミューオン衝突を実現する二重リング型ミューオン加速器システムを提案する。ミューオンは二段階で加速され、30–400 GeVを400 Hzで28回軌道を周回し、400–750 GeVを550 Hzで44回軌道を周回する。設計では超伝導RFキャビティ、逆方向および同位相ラーミングを併用するハイブリッド電磁石、固定された超伝導電磁石を採用し、それぞれ80%および92%のミューオン生存率を達成。高周波・低デューティーサイクル運転により低消費電力化を実現する。

ABSTRACT

Muon acceleration from 30 to 750 GeV in 72 orbits using two rings in the 1000m radius Tevatron tunnel is explored. The first ring ramps at 400 Hz and accelerates muons from 30 to 400 GeV in 28 orbits using 14 GV of 1.3 GHz superconducting RF. The ring duplicates the Fermilab 400 GeV main ring FODO lattice, which had a 61m cell length. Muon survival is 80%. The second ring accelerates muons from 400 to 750 GeV in 44 orbits using 8 GV of 1.3 GHz superconducting RF. The 30 T/m main ring quadrupoles are lengthened 87% to 3.3m. The four main ring dipoles in each half cell are replaced by three dipoles which ramp at 550 Hz from -1.8T to +1.8T interleaved with two 8T fixed superconducting dipoles. The ramping and superconducting dipoles oppose each other at 400 GeV and act in unison at 750 GeV. Muon survival is 92%. Two mm copper wire, 0.28mm grain oriented silicon steel laminations, and a low duty cycle mitigate eddy current losses. Low emittance muon bunches allow small aperatures and permit magnets to ramp with a few thousand volts. Little civil construction is required. The tunnel exists.

研究の動機と目的

• 既存のテバトロントンネルインfraを活用した実用的かつ実現可能な1.5 TeVミューオン衝突器の設計。
• 1000 mの半径を有するトンネルを再利用することで、最小限の土木工事を実現した高エネルギーミューオン加速の実現。
• 最適化された磁界格子およびRFシステムにより、加速過程におけるミューオン生存率を80%および92%に達成。
• 高周波・低デューティーサイクル運転および薄いラミネート鋼鉄コアを用いることで、消費電力およびエディスール損失を最小限に抑える。
• 二つの異なるリングを用い、それぞれに特化したRFおよび磁界プロファイルを適用することで、72回軌道のうちに30から750 GeVまでミューオンを加速する可能性の実証。

提案手法

• 1.3 GHzの超伝導RFキャビティを14 GVで使用し、400 Hzのシンクロトロンリングで28回軌道を周回して30–400 GeVまで加速。改良型フェルミラブ・メインリングFODO格子を採用。
• 3.3 mに延長された30 T/mの四極子電磁石と、1/セルあたり4つのラーミング電磁石（-1.8 Tから+1.8 Tへラーミング）を設置。これに加え、固定された8 Tの超伝導電磁石を配置。
• 400–750 GeVの加速には550 Hzのハイブリッドリングを採用。1/セルあたり4つの電磁石を5つに変更し、3つのラーミング電磁石と2つの固定8 T超伝導電磁石を配置。
• 10 MWのクリストロンと1.3 GHzの超伝導RFキャビティを42か所（14 GV）および12か所（8 GV）に配置し、シンクロトロン放射によるエネルギー損失を補填。
• 低デューティーサイクル（1.6%および2.4%）を採用して消費電力を低減。磁界エネルギーはLC回路に蓄えられ、ダイオードおよびチョッパを介してリセット。
• 0.28 mmのグレインオientedシリコン鋼板ラミネートとmm径の銅線巻線を用い、磁界の質を最適化し、エディスール損失を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存のテバトロントンネルを活用し、最小限の新設工事を施すことで1.5 TeVミューオン衝突器を実現可能か？
• RQ2 超伝導RFおよびハイブリッド電磁石を用いた二重リング加速方式により、得られる最大ミューオンエネルギーおよび生存率は何か？
• RQ3 短命なミューオンを対象とした高周波・急ラーミング磁界で、エディスール損失およびI²R損失をどのように最小化できるか？
• RQ4 10 MW出力で1.3 GHzの超伝導RFキャビティを安定稼働させるために必要なRF出力およびキャビティ設計は何か？
• RQ5 軌道半径を調整し、シンクロトロン振動を用いることで、急加速過程における縦方向位相安定性を維持できるか？

主な発見

• 30–400 GeVの加速において、14 GVの1.3 GHz超伝導RFと400 Hzラーミングリングを用い、28回軌道でミューオン生存率が80%に達する。
• 400–750 GeVの加速において、8 GVの1.3 GHz超伝導RFと550 Hzハイブリッドリングを用い、44回軌道でミューオン生存率が92%に向上する。
• 低デューティーサイクル（1.6%および2.4%）により、400 Hzリングでは540 kW、550 Hzリングでは1200 kWの消費電力にまで低減される。
• 400 Hzおよび550 Hzにおける皮膚効果により、エディスール損失は鋼板厚さの2%にまで低減され、コア損失はそれぞれ23 W/kgおよび40 W/kgと推定される。
• シンクロトロンチューンが0.8、縦方向エミッタンスが0.072 π m-radであるため、加速過程で位相安定性が維持され、安定した縦方向ダイナミクスを実現。
• ビームから2700 m離れた場所に立つ人物が年間1ミリレムの被ばく線量を受けるが、これは週に2本のバナナを食べるのと同等であり、連邦被ばく限度基準を下回る。