[論文レビュー] The Cornell-BNL FFAG-ERL Test Accelerator: White Paper

Ivan Bazarov, John Dobbins+21 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2015

Photocathodes and Microchannel Plates参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

コロンビア大学・ブルークヘブン研究所のFFAG-ERL実験加速器（Cβ）は、非スケーリング固定磁場交互勾配（NS-FFAG）格子に基づく画期的なエネルギー回収型リニアック（ERL）を提案しており、1台の超伝導RFリニアックを通る複数回のビーム通過を可能としている。このコンactでコスト効率の高い設計は、将来の高輝度電子ビーム応用分野、例えばeRHIC、ダークマター探索、産業用FELへのFFAG-ERL概念の妥当性を検証するものである。

ABSTRACT

The Cornell-BNL FFAG-ERL Test Accelerator (C$β$) will comprise the first ever Energy Recovery Linac (ERL) based on a Fixed Field Alternating Gradient (FFAG) lattice. In particular, we plan to use a Non Scaling FFAG (NS-FFAG) lattice that is very compact and thus space- and cost- effective, enabling multiple passes of the electron beam in a single recirculation beam line, using the superconducting RF (SRF) linac multiple times. The FFAG-ERL moves the cost optimized linac and recirculation lattice to a dramatically better optimum. The prime accelerator science motivation for C$β$ is proving that the FFAG-ERL concept works. This is an important milestone for the Brookhaven National Laboratory (BNL) plans to build a major Nuclear Physics facility, eRHIC, based on producing 21 GeV electron beams to collide with the RHIC ion beams. A consequence of the C$β$ work would be the availability of significantly better, cost-effective, compact CW high-brightness electron beams for a plethora of scientific investigations and applications, such as X-ray sources, dark-matter and dark-energy searches, and industrial high-power Free-Electron Laser (FEL) applications. C$β$ brings together the resources and expertise of a large DOE National Laboratory, BNL, and a leading research university, Cornell. C$β$ will be built in an existing building at Cornell, for the most part using components that have been developed under previous R&D programs, including a fully commissioned world-leading photoemission electron injector, a large SRF accelerator module, and a high-power beam stop. The only elements that require design and construction from scratch is the FFAG magnet transport lattice. This white paper describes a project that promises to propel high-power, high-brightness electron beam science and applications to an exciting new level.

研究の動機と目的

• 非スケーリングFFAG格子がエネルギー回収型リニアック（ERL）で実現可能であることを実証すること。これは、将来のeRHIC核物理学施設に向けた重要なイノベーションである。
• NS-FFAG光学と超伝導RF（SRF）リニアックの統合を検証し、複数回のビーム通過を可能として、装置の小型化とコスト削減を実現すること。
• 高輝度・高出力連続波（CW）電子ビームを、複数回通過型ERL構成で効果的に監視・制御するための高度な診断技術および計器の開発と実験。
• 高輝度・狭線幅のガンマ線とビーム安定性を活用し、核物理学、材料科学、産業用自由電子レーザー（FEL）分野における新規応用を可能にすること。
• 国立研究所と大学間の協働モデルを確立し、次世代加速器技術のコスト効率的で迅速なプロトタイピングを実現すること。

提案手法

• コロンビア大学に既存の世界的水準の光起電型電子ガンレーターとSRFリニアック冷却モジュールを活用し、新規ハードウェア開発を最小限に抑える。
• 2つのスタックされたビームラインアーチを備えた非スケーリングFFAG（NS-FFAG）格子を実装し、1台のSRFリニアックを通る8回の通過（4回加速、4回減速）を可能にする。
• ERLを3つのモードで運用する：試験起動（0.1 nC/ビーム）、連続波（CW）物理運用（0.1–1.0 nC/ビーム）、専用実験（≤5 nC/ビーム）。
• 1300 MHzのRFシステムを採用し、0.7692 nsの周期と279回転調和を用いてビーム位相を同期し、ビームの重なりを回避する。
• EPICSベースの制御システムを導入し、すべてのサブシステム（ビーム診断、計器など）におけるスケーラブルかつリアルタイムの監視と自動化を実現する。
• 高帯域幅の診断技術として、高時間分解能のBPMとイオンクリーニング機構を導入し、FFAGセル内でのビームダイナミクスと不安定性を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非スケーリングFFAG格子は、ビーム破壊や不安定性を引き起こさずに、高輝度電子ビームを1台の超伝導ERLで複数回通過可能であるか？
• RQ2 高電流および高エネルギー状態におけるエネルギー回収付きの複数回通過NS-FFAG格子内でのビームダイナミクスとエミッタンス増大特性はいかなるものか？
• RQ3 FFAG格子内での複数のエネルギー状態をカバーするビームパラメータ（位置、エネルギー、サイズ、損失）を効果的に監視するための高帯域診断技術および計器をどのように展開できるか？
• RQ4 NS-FFAG-ERL構成は、従来の設計と比較して、将来の高出力電子加速器のサイズとコストをどの程度削減できるか？
• RQ5 このプロトタイプは、コンプトン散乱やFEL応用に適したビームパラメータを備えた安定的で長時間のCW運用を実証できるか？

主な発見

• Cβ設計は、64.34 mの加速器周囲長と214.6 nsの1回転周期、279回転調和を達成し、1回のRF周期に1つの加速ビームと1つの減速ビームを有する安定な複数回通過運用を可能としている。
• NS-FFAG格子により、1台のSRFリニアックを通る4回の加速および4回の減速通過が可能となり、1回の通過で70 MeVのエネルギー増幅が達成され、7段階のエネルギーラムプ（76から286 MeV）が実現された。
• ビームエミッタンスは1 nCのとき2 μm-rmsを維持しており、通常のビームサイズは50 μm（範囲20–80 μm）であり、高精度実験に適した高いビーム品質を示している。
• インジェクタおよびSRF冷却モジュールは、コロンビア大学で既に試験稼働済みであり、プロジェクトのリスク低減と開発期間短縮に寄与している。
• EPICSベースの制御システムにより、スケーラブルかつリアルタイムの監視と自動化が可能となり、すべての運用モードと診断技術をサポートしている。
• 計器プロトタイピングの目標は、高時間分解能BPM、イオンクリーニング機構、FFAGセル内でのビームサイズ測定のための高帯域診断技術であり、これらはeRHICへの対応に不可欠である。