[論文レビュー] The Advanced Superconducting Test Accelerator (ASTA) at Fermilab: A User-Driven Facility Dedicated to Accelerator Science \\& Technology

P. Piot|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2022

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 6

ひとこと要約

フェルミラブのASTA施設は、ユーザー主導の超伝導電子リニアックであり、高輝度・高繰り返しレートのビームを用いて加速器科学を前進させる。フォトインジェクタ、SRF冷却モジュール、ストレージリングを統合し、ビームダイナミクス、放射線源、SRF技術分野の実験を可能にし、GeVスケールのビームエネルギー、最大10 kAのピーク電流、高度な研究開発に向けた位相空間制御を実現する。

ABSTRACT

Fermilab is currently constructing a superconducting electron linac that will eventually serve as the backbone of a user-driven facility for accelerator science. This contribution describes the accelerator and summarizes the enabled research thrusts. A detailed description of the facility can be found at [\url{http://apc.fnal.gov/programs2/ASTA_TEMP/index.shtml}].

研究の動機と目的

• ビームダイナミクス、放射線源、SRF技術分野における先端的加速器研究開発を支援するユーザー主導の施設を構築すること。
• 制御された高繰り返しレートの電子ビームを用いて、ビーム強度および輝度の根本的制限を克服すること。
• 実際の運用条件下でSRF加速器部品およびビーム診断技術のテストベッドを提供すること。
• エミッタンス制御や位相空間交換を含む、新たなビーム操作技術の実験を可能にすること。
• 高エネルギー物理学およびそれ以上の分野における次世代光源および加速器の開発を支援すること。

提案手法

• 1.3-GHzの超伝導RFフォトインジェクタを用い、Cs2TeフォトカソードとUVレーザー（λ = 263 nm）を組み合わせて、3 MHzの繰り返しレートで電子ビームパケットを生成する。
• TESLA型のSRFキャビティ2基（CAV1, CAV2）を用いてビームを約50 MeVまで加速し、その後、ビームパケット圧縮のための4ビット磁気コンプレッションチカン（BC1）を設置する。
• 第3高調波キャビティ（CAV39、3.9 GHz）を導入し、縦方向位相空間の線形化を実現し、ピーク電流を最大約10 kAまで向上させる。
• 3つの冷却モジュール（CM1–CM3）を備えた12mのSRFリニアックを有し、ILCタイプIV設計を採用することで、最大約800 MeVのビームエネルギーを達成可能である。
• 横方向エミッタンスを制御するためのラウンドトゥフラットビーム変換器（RTFB）と、診断技術の研究開発を目的としたビームライン分岐部を設置する。
• 小径のストレージリングを統合し、空間電荷補償や位相空間交換を含む、リングベースのビームダイナミクス実験を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高輝度・高繰り返しレートの電子ビームをどのように生成・制御すれば、先端的加速器研究開発に貢献できるか？
• RQ2 高強度ビーム運転下におけるSRF冷却モジュールの性能限界は何か？ また、それらを緩和する方法は？
• RQ3 位相空間交換技術を用いることで、将来のFELやコライダー向けに新たなビーム形状とエミッタンス分割が可能になるか？
• RQ4 高輝度ビームを用いた逆コンプトン散乱γ線源の実現可能性と性能は？
• RQ5 ビームベースのフィードバックシステムを用いることで、高平均出力運転に適したSRFリニアックを安定化できるか？

主な発見

• CAV39が稼働している場合、ASTAは最大800 MeVのビームエネルギー、3.2 nCのビームパケット電荷、ピーク電流約10 kAを達成可能である。
• 圧縮されていないビームにおいて、正規化横方向エミッタンスは約2.11 μm、縦方向エミッタンスは約30.05 μmであり、電荷に比例して ε⊥ ∝ Q^0.69 および ε|| ∝ Q^0.84 のようにスケーリングする。
• CAV39の導入により、縦方向位相空間の線形化が実現され、ピーク電流が10 kAを超えることが可能となり、CAV39を装備しない場合の定格値は約3 kAである。
• 最初の冷却モジュール（CM1）がASTA施設で正常にテストされ、主要な設計および運用パrameterが検証された。
• ストレージリングを用いることで、空間電荷補償、光学的ストキャスティック冷却、高度な位相空間操作に関するリングベースの実験が可能である。
• ASTAは、チャネリングを用いた高スペクトル輝度X線、逆コンプトン散乱を用いた狭帯域γ線、アトセカンドVUVパルス発生など、幅広い応用を支援する。