[논문 리뷰] Development of Superconducting Linac for the Kek/Jaeri Joint Project

M. Mizumoto, Nobuo Ouchi외 14명|arXiv (Cornell University)|2000. 08. 19.

Superconducting Materials and Applications참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 KEK/JAERI 연합 고강도 양성자 가속기 사업을 위한 초전도 리네크스의 설계 및 연구개발 진척 상황을 제시하며, 3 GeV 빠른 순환 싱로트론에 주입하기 위해 동역학적 분할 개념을 활용해 운동량 분산을 ±0.1% 이하로 유지한다. 주요 결과로는 2 K에서 단세포 및 5셀 캐비티의 수직 테스트를 성공적으로 수행하여 각각 β=0.50일 때 23 MV/m, β=0.89일 때 31 MV/m의 최대 표면 전기장에 도달하였으며, 펄스 모드 운용 조건에서의 동적 로렌츠 디튜닝 모델이 검증되었다.

ABSTRACT

The JAERI/KEK Joint Project for the high-intensity proton accelerator facility has been proposed with a superconducting (SC) linac option from 400 MeV to 600MeV. System design of the SC linac has been carried out based on the equipartitioning concept. The SC linac is planned to use as an injector to a 3GeV rapid cycling synchrotron (RCS) for spallation neutron source after it meets requirement to momentum spread less than +-0.1%. In the R&D work for SC cavities, vertical tests of single-cell and 5 cell cavities were performed. Experiments on multi-cell (5 cell) cavities of b=0.50 and b=0.89 at 2K were carried out with values of maximum electric surface peak fields of 23MV/m and 31MV/m, respectively. A model describing dynamic Lorentz detuning for SC cavities has been developed for pulse mode operation. Validity of the model was confirmed experimentally to simulate the performance.

연구 동기 및 목표

• 3 GeV 빠른 순환 싱로트론에 주입하기 위해 400 MeV에서 600 MeV로 양성자를 가속화할 수 있는 초전도 리네크스를 개발한다.
• 펄스 모드 조건에서 초전도 라디오파장 캐비티의 고기울기 운용 기술적 과제를 해결한다.
• 실험적 테스트를 통해 초전도 캐비티의 동적 로렌츠 디튜닝 모델을 검증한다.
• 향후 고강도 중성자원 응용을 목표로 2 K에서 다셀(5셀) 캐비티에서 고장력 성능을 입증한다.

제안 방법

• 초전도 리네크스의 시스템 설계를 위해 안정적인 비임펄스 동역학과 낮은 운동량 분산을 확보하기 위해 동역학 분할 개념을 도입하였다.
• 2 K에서 단세포 및 5셀 초전도 캐비티의 수직 테스트를 실시하여 전기장 성능과 Q 인자 수준을 평가하였다.
• 펄스 운용 조건에서 5셀 캐비티의 최대 전기 표면 피크 전기장을 각각 β=0.50일 때 23 MV/m, β=0.89일 때 31 MV/m로 측정하였다.
• 표면 전류 및 열적 영향으로 인한 펄스 운용 중 캐비티 주파수 이격 현상을 시뮬레이션하기 위해 동적 로렌츠 디튜닝 모델을 개발하였다.
• 5셀 캐비티에서 시뮬레이션된 결과와 측정된 디튜닝 행동을 비교하여 모델의 실험적 검증을 수행하였다.
• 결과를 바탕으로 향후 고기울기, 고-duty-사이클 초전도 리네크스 시스템의 설계 최적화를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 β=0.50 및 β=0.89 조건에서 2 K에서 5셀 초전도 캐비티에서 도달 가능한 최대 표면 전기장는 얼마인가?
• RQ2 초전도 캐비티의 펄스 운용 중 동적 로렌츠 디튜닝 효과는 얼마나 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ3 동역학 분할 개념은 고강도 양성자 빔을 위한 초전도 리네크스에서 운동량 분산을 ±0.1% 이하로 유지하는 데 효과적으로 기여하는가?
• RQ4 펄스 운용 조건에서 초전도 캐비티의 더 높은 가속 기울기를 달성하는 데 있어 주요 제약 요소는 무엇인가?
• RQ5 수직 캐비티 테스트의 실험 결과는 로렌츠 디튜닝의 이론적 예측과 얼마나 잘 일치하는가?

주요 결과

• β=0.50에서 5셀 캐비티는 2 K에서 최대 표면 전기장을 23 MV/m까지 도달하여 펄스 조건에서 안정된 운용을 입증하였다.
• β=0.89에서 5셀 캐비티는 피크 표면 전기장을 31 MV/m까지 도달하여 고에너지 양성자 가속에 높은 성능 잠재력을 보였다.
• 동적 로렌츠 디튜닝 모델은 실험적으로 검증되었으며, 펄스 운용 중 캐비티 주파수 이격 행동과 양호한 일치를 보였다.
• 수직 테스트 결과는 다셀 초전도 캐비티에서 고기울기 운용의 가능성을 확인하였으며, 전체 규모의 리네크스 설계를 뒷받침하였다.
• 결과는 싱로트론 주입을 위한 요구되는 운동량 분산 ±0.1% 이하를 달성하기 위해 동역학 분할 개념을 효과적으로 활용할 수 있음을 지지한다.
• 검증된 모델은 향후 고강도 가속기 시스템에서 캐비티 행동의 정확한 예측 및 제어를 가능하게 한다.