[논문 리뷰] Muon Acceleration to 750 GeV in the Tevatron Tunnel for a 1.5 TeV mu+ mu- Collider

D. J. Summers, L. Cremaldi외 4명|ArXiv.org|2007. 07. 02.

Particle accelerators and beam dynamics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 기존 테바트론 터널을 사용하여 1.5 TeV 뮤온 충돌을 달성하는 두 고리형 뮤온 가속기 시스템을 제안한다. 뮤온은 두 단계로 가속되며, 30–400 GeV는 400 Hz에서 28개 궤도 동안, 400–750 GeV는 550 Hz에서 44개 궤도 동안 이루어진다. 설계는 초전도 RF 캐비티, 반대 및 동상의 램프링을 가진 하이브리드 도플 루프, 고정된 초전도 도플 루프를 사용하며, 80%와 92%의 뮤온 생존율을 달성한다. 이는 고주파, 저-duty 사이클 작동을 통해 저전력 소비를 실현한다.

ABSTRACT

Muon acceleration from 30 to 750 GeV in 72 orbits using two rings in the 1000m radius Tevatron tunnel is explored. The first ring ramps at 400 Hz and accelerates muons from 30 to 400 GeV in 28 orbits using 14 GV of 1.3 GHz superconducting RF. The ring duplicates the Fermilab 400 GeV main ring FODO lattice, which had a 61m cell length. Muon survival is 80%. The second ring accelerates muons from 400 to 750 GeV in 44 orbits using 8 GV of 1.3 GHz superconducting RF. The 30 T/m main ring quadrupoles are lengthened 87% to 3.3m. The four main ring dipoles in each half cell are replaced by three dipoles which ramp at 550 Hz from -1.8T to +1.8T interleaved with two 8T fixed superconducting dipoles. The ramping and superconducting dipoles oppose each other at 400 GeV and act in unison at 750 GeV. Muon survival is 92%. Two mm copper wire, 0.28mm grain oriented silicon steel laminations, and a low duty cycle mitigate eddy current losses. Low emittance muon bunches allow small aperatures and permit magnets to ramp with a few thousand volts. Little civil construction is required. The tunnel exists.

연구 동기 및 목표

• 기존 테바트론 터널 인프라를 활용하여 실용적인 1.5 TeV 뮤온 충돌기 설계를 위한 길을 마련한다.
• 1000m 반경의 터널을 재사용함으로써 최소한의 건설 작업으로 고에너지 뮤온을 가속화할 수 있도록 한다.
• 최적화된 자기 루프 및 RF 시스템을 통해 가속 과정에서 80% 및 92%의 뮤온 생존율을 달성한다.
• 고주파, 저-duty 사이클 작동과 얇은 적층 강판 코어를 통해 전력 소비와 에디스 전류 손실을 최소화한다.
• 두 개의 서로 다른 고리에서 72개 궤도 내에 30에서 750 GeV까지 뮤온을 가속화하며, RF 및 자기장 프로파일을 최적화한 설계의 실현 가능성을 입증한다.

제안 방법

• 1.3 GHz 초전도 RF 캐비티를 사용하여 14 GV의 전압을 제공하는 400 Hz 동기화 고리에서 뮤온을 30에서 400 GeV까지 28개 궤도 동안 가속화하며, 수정된 페르밀라브 메인 루프 FODO 루프를 적용한다.
• 3.3m로 연장된 30 T/m 쿼드루플 유도체와 반기의 각 세포당 4개의 램프링 도플 루프를 사용하며, 각 도플은 -1.8 T에서 +1.8 T로 400 Hz에서 램프링되며, 고정된 8 T 초전도 도플 루프와 번갈아 배치된다.
• 400–750 GeV 가속을 위해 550 Hz 하이브리드 고리를 사용하며, 반기의 각 세포당 4개의 도플 루프를 5개로 대체한다. 이는 3개의 램프링 도플과 2개의 고정된 8 T 초전도 도플 루프로 구성된다.
• 10 MW 클리스트론과 1.3 GHz 초전도 RF 캐비티를 42개 위치(14 GV)와 12개 위치(8 GV)에 배치하여 동기화 복사로 인한 에너지 손실을 보충한다.
• 전력 소비를 줄이기 위해 저-duty 사이클(1.6% 및 2.4%)을 적용하며, 유도기와 다이오드, 코ils를 통해 자기 에너지를 LC 회로에 저장하고 재설정한다.
• 0.28 mm 곡면성 실리콘 철강판 적층과 밀리미터 급 구리선 권선을 사용하여 자기장 품질을 최적화하고 에디스 전류 손실을 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 테바트론 터널을 사용하여 최소한의 신규 건설로 1.5 TeV 뮤온 충돌기를 실현할 수 있는가?
• RQ2 초전도 RF 및 하이브리드 도플을 사용한 두 고리 가속 방식에서 최대 도달 가능한 뮤온 에너지와 생존율은 얼마인가?
• RQ3 짧은 수명을 가진 뮤온을 위해 고주파, 급속 램프링 자기장에서 에디스 전류 및 I²R 손실을 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ4 10 MW 출력을 유지하기 위해 1.3 GHz 초전도 RF 캐비티에 필요한 RF 전력과 캐비티 설계는 무엇인가?
• RQ5 궤도 반경 조절과 동기화 진동을 활용하여 급속 가속 중 종방향 위상 안정성이 유지될 수 있는가?

주요 결과

• 14 GV의 1.3 GHz 초전도 RF와 400 Hz 램프링 고리에서 28개 궤도 동안 30에서 400 GeV까지의 가속 과정에서 뮤온 생존율이 80%에 도달한다.
• 8 GV의 1.3 GHz 초전도 RF와 550 Hz 하이브리드 고리에서 44개 궤도 동안 400에서 750 GeV까지의 가속 과정에서 뮤온 생존율이 92%로 증가한다.
• 저-duty 사이클(각각 1.6% 및 2.4%) 덕분에 400 Hz 고리의 총 전력 소비는 540 kW, 550 Hz 고리의 총 전력 소비는 1200 kW로 감소한다.
• 400 Hz와 550 Hz에서 피부 깊이 효과로 인해 에디스 전류 손실이 강판 두께의 2% 이하로 줄어들며, 핵 손실은 각각 23 W/kg 및 40 W/kg로 추정된다.
• 동기화 주파수 0.8과 종방향 비극성 0.072 π m-rad를 확보하여 가속 과정 중 위상 안정성이 유지되며, 안정적인 종방향 역학이 구현된다.
• 빔으로부터 2700m 떨어진 사람이 연간 1 밀리레임의 선량을 받으며, 이는 주 2회 바나나를 먹는 것과 동일하고 연방 노출 기준 이하이다.