[논문 리뷰] A High-Intensity H- Linac at CERN Based on LEP-2 Cavities

M. Vretenar|ArXiv.org|2000. 08. 18.

Particle accelerators and beam dynamics참고 문헌 11인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 CERN에서 폐기된 LEP-2 캐비티와 키스트론을 활용하여 2.2 GeV 초전도성 H⁻ 라인액을 설계함으로써 향후 응용을 위한 고강도 수소 빔을 가능하게 한다. 라인액은 고-duty 사이클 펄스 운전 방식으로 설계되었으며, LEP-2 캐비티의 40%와 쿠로스타트의 57%를 재사용하여 4 MW 빔 출력을 달성하고, 뉴트리노 팩토리 드라이버 및 차세대 방사성 빔 시.Installation에 기여한다.

ABSTRACT

In view of a possible evolution of the CERN accelerator complex towards higher proton intensities, a 2.2 GeV H- linac with 4 MW beam power has been designed, for use in connection with an accumulator and compressor ring as proton driver of a muon-based Neutrino Factory. The high-energy part of this linac can use most of the RF equipment (superconducting cavities and klystrons) from the LEP collider after its decommissioning at the end of 2000. Recent results concerning low-beta superconducting cavities are presented, and the main characteristics of the linac design are described. The complete linac-based proton driver facility is outlined, and the impact on the linac design of the requirements specific to a Neutrino Factory is underlined.

연구 동기 및 목표

• . 이 논문은 2000년 폐기된 LEP-2 RF 하드웨어를 재활용하여 향후 CERN 가속기 프로젝트를 지원하는 고강도 수소 라인액을 설계하고자 한다.
• 2000년에 폐기된 LEP-2 이후에도 귀중한 초전도성 RF 하드웨어를 재활용하는 과제를 다룬다.
• 목표는 PS 레이저의 빔 밝기와 강도를 향상시켜 LHC 및 향후 실험을 지원할 수 있는 라인액을 설계하는 것이다.
• 특히 저배속 값에서 전이 시간 인자(Transit Time Factor)가 낮은 조건에서 LEP-2 캐비티를 수소 가속에 활용할 수 있는지의 가능성을 조사한다.
• 4 MW 빔 출력을 제공하는 고출력 수소 드라이버를 통해 뉴트리노 팩토리 개발을 지원하고자 한다.

제안 방법

• . 라인액 설계는 288개의 LEP-2 초전도성 캐비티(352.2 MHz, 4.5 K)와 36개의 키스트론을 사용하며, 이들은 LEP-2에서 수소 가속을 위해 재사용된다.
• 라인액은 7–120 MeV 범위의 일반 도체 섹션(알바르 및 사이드 커플드 DTL 구조)과 네 개의 베타 섹션(0.52, 0.7, 0.8, 1.0)을 가진 초전도성 섹션으로 나뉜다.
• β = 0.52 및 β = 0.7 캐비티는 coppe에 스퍼터링된 니오븀으로 제작되며, β = 0.8 및 β = 1.0 캐비티는 기존 LEP-2 캐비티를 사용한다.
• 로렌츠 힘에 의한 주파수 이격 및 기계적 진동에 대응하기 위해 피드백 시스템을 도입하였으며, 시뮬레이션 결과 ±40 Hz의 주파수 잼블러에 대해서도 안정성이 확보됨을 확인하였다.
• 고효율의 공중전원-RF 변환과 냉각 손실 감소를 위해 고-duty 사이클(최대 5%)의 펄스 운전 방식을 사용한다.
• 기존 턨널과 인프라를 활용하여 CERN 메리니 사이트에 통합하기 위해 레이아웃을 최적화하여 환경 영향과 건설 비용을 최소화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 원래 β=1을 위한 설계였던 LEP-2 초전도성 캐비티가 저배속 값에서 수소 라인액에 효과적으로 재사용될 수 있는가?
• RQ2 수소 에너지의 함수로 LEP-2 캐비티의 유효 가속 기울기(Gradient)는 어떻게 되며, 고출력 운전에서 경제적으로 유리한 에너지는 어느 수준인가?
• RQ3 기계적 및 RF 불안정성이 존재할 수 있는 재사용 캐비티를 사용하는 초전도성 라인액에서 빔 품질과 안정성을 유지하는 방법은 무엇인가?
• RQ4 4 MW 빔 출력을 2.2 GeV에서 달성하고 효율을 극대화하며 손실을 최소화하기 위한 최적의 라인액 구성(일반 도체 및 초전도성 섹션 포함)은 무엇인가?
• RQ5 기존 LEP-2 RF 인프라(키스트론, 쿠로스타트, 커플러)는 고-duty 사이클 펄스 운전을 위한 수소 라인액에 적합하게 변형될 수 있는가?

주요 결과

• . LEP-2 캐비티는 1 GeV에서 유효 기울기 7.5 MV/m를 달성하였으며, 일부 캐비티는 LEP-2 운전 중 최대 9 MV/m까지 도달하였다.
• 전이 시간 인자가 낮아 1 GeV 이하에서 기울기가 크게 감소하여, 1 GeV 이상에서만 효율적인 운전이 가능하다.
• 프로토타입 β=0.8 캐비티는 10 MV/m에 도달하였으며, 시뮬레이션 결과 신규 제작된 β=0.8 캐비티에 대해 9 MV/m의 설계 기울기가 실현 가능하다는 것이 확인되었다.
• 피드백 시스템은 무작위 주파수 잼블러 ±40 Hz 이내에서도 누적 레이저의 ±10 MeV 수용 범위를 초과하지 않는 빔 에너지 분포를 유지할 수 있다.
• 다양한 입자 시뮬레이션을 통해 입력 빔 불일치 및 구성 요소 오차가 있는 상황에서도 초전도성 섹션이 안정적인 빔 역학을 유지함을 확인하였다.
• 제안된 라인액 레이아웃은 LEP-2 캐비티의 40%, 쿠로스타트의 57%, 모든 키스트론을 사용하여 2.2 GeV에서 4 MW 빔 출력을 달성하였으며, 높은 재사용성과 낮은 인프라 비용을 실현하였다.