[논문 리뷰] An Upgrade Path for the Fermilab Accelerator Complex

R. Ainsworth, J. Dey외 11명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 03.

Particle accelerators and beam dynamics인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 DUNE/LBNF 중성미자 프로그램의 비례 전력 증가를 위해 페르미랩 가속기 복합체에 대한 종합적인 업그레이드 경로를 제안한다. 기존의 노후된 Booster 싱크로트론을 대체하여 2 GeV의 빠른 순환 싱크로트론(RCS)을 도입하고, PIP-II 리어레이저를 2 GeV로 업그레이드함으로써 기존 1.2 MW에서 2.4 MW로 비례 전력을 증가시키는 것을 목표로 한다. 이 계획은 높은 강도의 운영을 가능하게 하고, 향후 4 MW 업그레이드도 지원하며, 저에너지 및 중간에너지 물리 실험에 대한 새로운 기회를 열어준다.

ABSTRACT

The completion of the PIP-II project and its superconducting linear accelerator will provide up to 1.2 MW of beam power to the LBNF/DUNE facility for neutrino physics. It will also be able to produce high-power beams directly from the linac that can be used for lower-energy particle physics experiments as well, such as directing beam toward the Muon Campus at Fermilab for example. Any further significant upgrade of the beam power to DUNE, however, will be impeded by the limitations of the present Booster synchrotron at the facility. To increase the power to DUNE by a factor of two would require a new accelerator arrangement to feed the Main Injector that does not include the Booster. In what follows, a path toward upgrading the Fermilab accelerator complex to bring the beam power for DUNE to 2.4 MW is presented, using a new rapid-cycling synchrotron plus an energy upgrade to the PIP-II linac. The path includes the ability to instigate a new lower-energy, very high-power beam delivery system for experiments that can address much of the science program presented by the Booster Replacement Science Working Group. It also allows for the future possibility to go beyond 2.4 MW up to roughly 4 MW from the Main Injector.

연구 동기 및 목표

• 기존 페르미랩 Booster 싱크로트론의 한계로 인해 DUNE/LBNF 중성미자 프로그램의 비례 전력 증가가 1.2 MW를 초과할 수 없는 근본적인 제약 요소를 해결한다.
• Main Injector에 2.4 MW 비례 전력 업그레이드를 실현하기 위해 Booster를 새로운 빠른 순환 싱크로트론(RCS)으로 대체하고, PIP-II 리어레이저를 2 GeV로 업그레이드한다.
• Main Injector 프로그램과 병행하여 약 2 GeV 및 약 8 GeV 에너지에서 MW 수준의 비례 전력을 동시에 제공함으로써 저에너지 및 중간에너지 물리 실험의 광범위한 포트폴리오를 지원한다.
• 더 높은 반복 주기와 향상된 RF 성능을 최적화함으로써 향후 약 4 MW까지의 업그레이드에 대비한 호환성을 확보한다.
• 가속기 과학 및 기술 분야의 지속적인 연구 개발 동향과 가속기 설계를 조율함으로써 장기적인 과학적 발전을 위한 영구적 유연성을 유지한다.

제안 방법

• Main Injector에 고강도 양성자 비례를 직접 공급하기 위해 페르미랩 Booster를 새로운 2 GeV 빠른 순환 싱크로트론(RCS)으로 대체한다.
• RCS에 대한 주입 시 공간 전하 효과를 줄이고 비례 품질을 향상시키기 위해 PIP-II 초전도 리어레이저의 에너지를 0.8 GeV에서 2.0 GeV로 업그레이드한다.
• 새로운 에너지 업그레이드를 위해 PIP-II 리어레이저 턨널을 약 400피트 연장하여 새로운 환경 영향 평가 없이도 구현 가능하도록 한다.
• 비용 절감과 단계적 구현을 가능하게 하기 위해 에너지 업그레이드를 점진적이고 펄스 전용 모드로 구현한다.
• 600 GeV/sec의 가속 속도를 지원하기 위해 Main Injector의 RF 시스템에 추가적인 기지(최대 33개의 캐비티)를 도입한다. 이는 약 7.5 MV의 총 RF 전압을 필요로 한다.
• 고강도 운용을 지원하고 향후 4 MW 업그레이드를 가능하게 하기 위해 RCS 레이팅과 주입 방식을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 Booster 싱크로트론의 한계를 감안할 때, DUNE/LBNF 중성미자 프로그램의 비례 전력 증가를 1.2 MW에서 2.4 MW로 하는 데 최적의 가속기 구성은 무엇인가?
• RQ2 RCS에 주입하기 위한 비례 품질 향상과 공간 전하 효과 감소를 위해 PIP-II 리어레이저를 2 GeV로 어떻게 업그레이드할 수 있는가?
• RQ3 2.4 MW 비례 전력과 향후 4 MW 운영을 지원하기 위해 새로운 빠른 순환 싱크로트론이 요구하는 기술적 및 운영적 조건은 무엇인가?
• RQ4 더 높은 비례 강도와 더 빠른 사이클 시간을 유지하기 위해 Main Injector RF 시스템은 어떻게 업그레이드되어야 하는가?
• RQ5 다양한 물리 실험을 위해 저에너지(약 2 GeV) 및 중간에너지(약 8 GeV)에서 동시에 고강도 비례 전력을 공급하는 것이 가능한가?

주요 결과

• 제안된 업그레이드 경로는 페르미랩 Booster를 새로운 2 GeV 빠른 순환 싱크로트론(RCS)으로 대체함으로써 Main Injector에 2.4 MW 비례 전력 업그레이드를 실현할 수 있다.
• PIP-II 리어레이저는 400피트의 터널 연장과 함께 2.0 GeV로 업그레이드될 수 있으며, 이는 새로운 환경 영향 평가 없이 점진적이고 비용 효율적인 구현이 가능하다.
• 새로운 RCS 설계는 600 GeV/sec의 속도로 최대 1.85×10^14개의 양성자/초를 주입할 수 있으며, 31~33개의 캐비티에 걸쳐 약 7.5 MV의 총 RF 전압이 필요하다.
• 업그레이드 경로는 Main Injector의 램프 속도를 높이고 RF 성능을 향상시킴으로써 향후 4 MW 비례 전력 업그레이드와 호환된다.
• 새로운 가속기 구성은 약 2 GeV 및 약 8 GeV에서 동시에 고강도 비례 전력을 공급할 수 있어 저에너지 및 중간에너지 물리 실험의 광범위한 포트폴리오를 지원한다.
• Recycler Ring은 새로운 RCS의 더 높은 강도와 반복 주기로 인해 필요 없어질 가능성이 높으며, 이는 슬립 스태킹의 필요성을 제거한다.