[論文レビュー] RF Cavities For The Muon and Neutrino Factory Collaboration Study

A. Moretti, N. Holtkamp+3 more|ArXiv.org|Aug 18, 2000

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、ミューオン衝突機用の805 MHzおよびニュートリノ工場用の201 MHzの高勾配RFキャビティの設計およびコールドテスト結果を提示している。ビームマッチングのアイリス開口部と薄肉チューブグリッドを用いることで、シャントインピーダンスを最大化し、効率的なイオン化冷却を可能にした。805 MHzキャビティは33.5 MV/m/mの勾配を達成し、ピーク表面電場が77 MV/mであった。201 MHz設計は32.0 MV/m/mで、ピーク電場25 MV/mであった。両者ともシミュレーションと強く整合しており、高電力試験に適していることが示された。

ABSTRACT

A multi-laboratory collaboration is studying the feasibility of building a muon collider, the first phase of which maybe a neutrino factory. The phase space occupied by the muons is very large and needs to be cooled several orders of magnitude for either machine, 100,000 to 1 million for the collider and ten to 100 for the factory. Ionization cooling is the base line method for muon cooling. This scheme uses hydrogen absorbers and rf re-acceleration in a long series of magnetic focusing channels to cool the muons. At Fermilab two rf cavity types are under study to provide the required cooling rf re-acceleration, a 805 MHz high gradient cavity for the collider and a 201 MHz high gradient cavity for the neutrino factory. The 805 MHz cavity currently under going cold testing is a non-periodic pi-mode cavity with the iris openings shaped to follow the contour of the beam. The 201 MHz cavity uses hollow thin metal tubes over the beam aperture to terminate the field in a pill-box type mode to increase its shunt impedance. This is possible because muons have little interactions with thin metal membranes. Details of these cavities and cold measurement data will be presented.

研究の動機と目的

• ミューオンおよびニュートリノ工場加速器におけるイオン化冷却を可能にする、高勾配・高シャントインピーダンスRFキャビティの開発。
• 大きな6次元位相空間からのミューオン冷却を短時間で達成するという課題に対処する。
• キャビティの幾何形状を最適化し、ビーム干渉を最小限に抑え、ピーク表面電場を低減するとともに、シャントインピーダンスを最大化する。
• 3次元電磁界シミュレーションおよびコールドモデル試験を通じてキャビティ設計を検証し、高電力運転前の性能を保証する。
• 805 MHz銅キャビティの高電力試験を可能にするとともに、将来の加速器施設向けに201 MHzキャビティのプロトタイプ開発を推進する。

提案手法

• ビーム開口部に交差する中空アルミチューブ（直径4 cm、厚さ125 µm）を用いた201 MHzグリッドキャビティを設計。ピルボックスモードに類似した場の終着を実現し、シャントインピーダンスを向上させた。
• MAFIA 3次元時間領域および2次元固有モードソルバを用い、シャントインピーダンス、ピーク表面電場、ビーム干渉、キャビティ間結合を最適化した。
• ビームの五シグマ断面に合わせたアイリス開口部形状を持つ805 MHzオープンセルキャビティを設計。ビームパスに材料を配置せず、シャントインピーダンスを最大化した。
• 矩形波ガイドとスロット結合機構を用いた2セルモデルを用いて高電力RFカップラーをシミュレート。臨界結合（β = 1）を達成するため、スロット幅を調整した。
• 全スケールのアルミモデルを用いてビーズプル測定および場分布の検証を実施。シミュレーション精度を±5 µmおよび±5%以内に保証した。
• 時間領域場データを用いたエネルギー法により結合係数βを計算。測定値β = 0.976とシミュレーション値β = 1.000の間に97.6%の一致を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、ミューオン冷却用の大口径キャビティにおいて、高シャントインピーダンスと低ピーク表面電場を実現できるか？
• RQ2 アイリス開口部をビーム断面にマッチングさせることで、ビーム干渉を引き起こさずにシャントインピーダンスを向上させられる程度はどの程度か？
• RQ3 薄肉金属チューブが、機械的および熱的課題を軽減するためのベリリウム窓に効果的に代替可能か？
• RQ4 3次元電磁界シミュレーションとの照合を経たプロトタイプキャビティにおいて、達成可能な結合係数および場分布の精度はどの程度か？
• RQ5 コールドモデルによる場分布および周波数測定が、それぞれ5%および5 µm以内でシミュレーションと一致するか、高電力試験の支援に十分か？

主な発見

• 201 MHzグリッドキャビティは、シャントインピーダンス32.0 MOhm/mを達成し、15 MV/mに到達するには4.5 MWが必要であった。ピーク表面電場は25 MV/mであり、キルパトリック限界の1.7倍であった。
• 805 MHzオープンセルキャビティは、シャントインピーダンス33.5 MOhm/mを達成し、30 MV/mに到達するには27.7 MWが必要であった。ピーク表面電場は77 MV/mであり、キルパトリック限界の2.9倍であった。
• 805 MHzキャビティのコールドモデル測定では、シミュレーションと優れた一致が得られた。周波数および場分布はそれぞれ±5 µmおよび±5%以内であった。
• 臨界結合のスロット寸法は（高さ、深さ、幅）=（6.2, 2.2, 8.2）cmと決定され、測定された結合係数β = 0.976は、シミュレーション値β = 1.000と非常に近い一致を示した。
• アルミモデルの機械加工精度は±13 µmの公差を満たしており、MAFIAおよびSuperfishシミュレーションの信頼性が測定で確認された。
• 銅製805 MHzキャビティの高電力試験は進行中であり、フェルミラブの新設高電力試験施設でブレークダウンおよび真空コンディショニングの研究が計画されている。