[論文レビュー] Project X with Rapid Cycling and Dual Storage Superconducting Synchrotrons

H. Piekarz|arXiv (Cornell University)|May 7, 2012

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 11被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブのプロジェクトXのためのコスト効率の高い、シンクロトロンを基盤とする加速器システムを提案する。急速サイクリング型超伝導シンクロトロンと二重のストレージリングを用いて、高強度の陽子ビームを生成する。この設計により、ニュートリノおよびレアメソン崩壊実験に適した高ビームパワーを達成し、線形加速器ベースの選択肢とは対照的に、技術的に単純で経済的である代替手段を提供する。

ABSTRACT

Investigation of neutrino oscillations and rare meson decays are main physics goals of Project X. The successful physics outcome relies on the feasibility of high-intensity neutrino and meson (K+ and μ) beams. In order to meet this goal we propose accelerator system dominated by the synchrotrons (Option A) as a technologically easier and significantly more cost-effective alternative to the accelerator system dominated by the linear accelerators (Option B). The synchrotron-based accelerator system and its main components are outlined and the expected proton beam power for the neutrino and meson beams production is presented and discussed.

研究の動機と目的

• フェルミラブにおけるニュートリノおよびレアメソン崩壊実験のための高強度陽子ビーム源を開発すること。
• 既存の加速器技術では、希少な物理的過程に必要な十分なビームパワーを達成することが難しいという課題に対処すること。
• 線形加速器中心の設計（オプションB）に代わって、シンクロトロンベースの加速（オプションA）を用いることで、技術的に単純でコスト効率に優れた代替手段を提案すること。
• 急速サイクリング型超伝導シンクロトロンと二重ストレージリングが、持続的な高パワー運転に適していることを実証すること。
• 提案された設計におけるニュートリノおよびメソンビームラインのための予想される陽子ビームパワーを定量化し、比較すること。

提案手法

• 効率的なビーム蓄積および加速を実現するため、急速サイクリング型超伝導シンクロトロンを核とするシンクロトロンベースの加速器チェーンを設計する。
• 高強度陽子ビームの貯蔵と再循環を可能にするために、二重ストレージリングを実装する。これによりビームスタッキングとパワー増幅が実現する。
• 電力損失を最小限に抑えて高電流運転を可能にするために、超伝導磁石技術を活用する。
• 急速サイクリング中にビーム品質と安定性を維持するため、ビーム診断およびフィードバックシステムを統合する。
• ビームダイナミクスとパワースケーリングをモデル化し、ニュートリノおよびメソンビームラインにおける達成可能なビームパワーを推定する。
• シンクロトロンベースのオプションAと線形加速器ベースのオプションBとの間で、性能およびコスト指標を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シンクロトロンベースの加速器システムは、線形加速器ベースのシステムよりも、ニュートリノおよびレアメソン崩壊実験に必要な高ビームパワーをよりコスト効率よく達成できるか？
• RQ2 急速サイクリング型超伝導シンクロトロンと二重ストレージリングを用いて、最大でどの程度の陽子ビームパワーを達成できるか？
• RQ3 超伝導環境下で急速サイクリング条件下でのビームダイナミクスおよび安定性は、どのように評価されるか？
• RQ4 プロジェクトXにおいて、オプションA（シンクロトロンベース）がオプションB（線形加速器ベース）に比べて、技術的および経済的利点は何か？
• RQ5 提案されたシステムは、高精度なニュートリノ振動および希少崩壊測定に必要なビーム強度を信頼性高く供給できるか？

主な発見

• シンクロトロンベースのオプションA設計は、予想される陽子ビームパワーが約2 MWに達し、高強度のニュートリノおよびメソンビーム生成に十分である。
• 急速サイクリング型超伝導シンクロトロンにより、効率的なビーム蓄積と高い繰り返しレートが可能となり、持続的な高ビームパワーを実現する。
• 二重ストレージリングにより、より高い初期注入パワーを要せずとも、ビームスタッキングとパワー増幅が可能となり、効果的なビーム強度が顕著に向上する。
• システムは、線形加速器ベースのオプションBと比較して、大幅にコスト効率が高く、インfra構築および運用の複雑さが低減されていることが示された。
• 成熟した超伝導磁石およびRFキャビティ技術を用いた高強度運用の技術的実現可能性が、この設計で裏付けられた。
• ビームダイナミクスのシミュレーションにより、急速サイクリング下でも安定した運転が可能であり、歪みの増大と損失率が管理可能であることが確認された。