[논문 리뷰] An Advanced NCRF Linac Concept for a High Energy e$^+$e$^-$ Linear Collider

K. Bane, Timothy L. Barklow외 13명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 26.

Particle accelerators and beam dynamics참고 문헌 7인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 향후 테바스케일 e⁺e⁻ 선형 충돌기용으로 120 MeV/m의 높은 가속 기울기를 달성하기 위해 분산 커플링과 액체 질소 냉각을 사용하는 새로운 정상 도체 C밴드 RF 라인악 구조를 제안한다. 캐비티 기하구조와 RF 전력 분포를 최적화함으로써, 분리 임피던스를 향상시키고 파손을 감소시켜, 정상 기울기에서의 첫 번째 냉각 작동을 통해 실현 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

We have explored a concept for an advanced Normal-Conducting Radio-Frequency (NCRF) C-band linear accelerator (linac) structure to achieve a high gradient, high power e$^+$e$^-$ linear collider in the TeV class. This design study represents the first comprehensive investigation for an emerging class of distributed coupling accelerator topology exploring nominal cavity geometries, frequency and temperature of operation. The structure features internal manifolds for distributing RF power separately to each cell, permitting the full structure geometry to be designed for high shunt impedance and low breakdown. Optimized within operational constraints, we find that it is advantageous for the structure to be cooled directly by liquid nitrogen (LN), further increasing the shunt impedance. A crucial part of this design process has been cost optimization, which is largely driven by the cost of peak RF power. The first operation of a distributed coupling structure at cryogenic temperatures and the nominal operating gradient 120 MeV/m is also presented, demonstrating the feasibility of achieving high-gradient performance with a cryogenically-cooled normal-conducting accelerating structure.

연구 동기 및 목표

• 차세대 e⁺e⁻ 선형 충돌기용 정상 도체 RF 라인악에서 고가속 기울기를 달성하는 데 도전하는 문제를 해결한다.
• 기존 라인악 구조의 한계를 극복하기 위해 최적화된 캐비티 기하구조를 가진 새로운 분산 커플링 토폴로지 탐색.
• 높은 분리 임피던스를 통해 피크 RF 전력 요구량을 감소시켜 비용을 절감하고 효율을 향상시킨다.
• 직접 액체 질소 냉각을 통합하여 품질 인자와 열 효과를 감소시켜 고기울기 작동을 가능하게 한다.
• 고기울기 성능을 위한 정상 도체 구조에서의 냉각 작동 실현 가능성을 입증한다.

제안 방법

• 각 세포에 독립적인 RF 전력 분배가 가능한 분산 커플링을 갖춘 C밴드 정상 도체 RF 라인악 구조를 설계한다.
• 전자기 시뮬레이션과 열 모델링을 사용하여 고분리 임피던스와 낮은 파손률을 위한 캐비티 기하구조를 최적화한다.
• 각 세포에 정확한 RF 전력 공급을 위한 내부 맨틀을 구현하여 전력 처리 능력과 기계적 기하구조를 분리한다.
• 표면 저항을 감소시키고 품질 인자를 향상시켜 분리 임피던스를 증가시키기 위해 구조에 직접 액체 질소 냉각을 적용한다.
• 분산 커플링 NCRF 구조를 냉각 온도에서 작동시키고 120 MeV/m 기울기에 도달한 첫 번째 실험적 증명을 수행한다.
• 비용 최적화 모델을 사용하여 설계 결정을 이끌며, 피크 RF 전력 최소화를 주요 비용 요인으로 삼는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분산 커플링 NCRF 라인악 구조는 고신뢰성과 낮은 파손률을 유지하면서도 120 MeV/m의 기울기를 달성할 수 있는가?
• RQ2 직접 액체 질소 냉각은 정상 도체 RF 구조에서 분리 임피던스와 파손 임계값에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고에너지 충돌기 환경에서 기울기 성능, 전력 처리 능력, 비용을 균형 잡기 위해 최적의 캐비티 기하구조와 주파수는 무엇인가?
• RQ4 분산 커플링 토폴로지는 각 세포에 독립적인 RF 전력 공급이 가능하면서도 높은 가속 효율을 유지할 수 있는가?
• RQ5 실온 정상 도체 구조에서 고기울기 작동의 실질적 한계는 무엇이며, 냉각 작동은 이를 어떻게 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 NCRF 라인악 구조는 정상 도체 구조에서 정상 기울기 120 MeV/m를 달성하여 고기울기 성능을 입증한다.
• 직접 액체 질소 냉각은 분리 임피던스를 크게 향상시켜 필요한 피크 RF 전력량을 감소시키고 효율을 향상시킨다.
• 분산 커플링 설계는 각 세포에 독립적인 RF 전력 공급이 가능하게 하여 고Q 및 낮은 파손률을 위한 기하구조 최적화를 가능하게 한다.
• 120 MeV/m 기울기에서 액체 질소 냉각이 적용된 분산 커플링 NCRF 라인악의 첫 번째 실험적 작동은 고기울기 작동의 실현 가능성을 확인한다.
• 비용 최적화 결과, 피크 RF 전력 최소화가 전체 시스템 비용 절감의 주요 요인임을 확인하여 고분리 임피던스 설계를 선호한다.
• 이 설계는 높은 성능, 제조 용이성, 비용 간의 균형을 이루며, 향후 테바스케일 e⁺e⁻ 충돌기의 실현 가능한 옵션으로 위치한다.