[논문 리뷰] The Cornell-BNL FFAG-ERL Test Accelerator: White Paper

Ivan Bazarov, John Dobbins외 21명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 02.

Photocathodes and Microchannel Plates참고 문헌 6인용 수 5

한 줄 요약

Cornell-BNL FFAG-ERL 테스트 가속기(Cβ)는 비스케일링 고정장 교대 경사도(Non-Scaling Fixed-Field Alternating Gradient, NS-FFAG) 격자 기반의 새로운 에너지 복원 라인어크(ERL)를 제안하며, 단일 초전도 RF 라인어크를 통과하는 다중 빔 통과를 가능하게 한다. 이 컴act하고 비용 효율적인 설계는 향후 고광도 전자 빔 응용 분야, 예를 들어 eRHIC, 암흑 물질 탐색, 산업용 자유전자 레이저(FEL)를 위한 FFAG-ERL 개념을 검증한다.

ABSTRACT

The Cornell-BNL FFAG-ERL Test Accelerator (C$β$) will comprise the first ever Energy Recovery Linac (ERL) based on a Fixed Field Alternating Gradient (FFAG) lattice. In particular, we plan to use a Non Scaling FFAG (NS-FFAG) lattice that is very compact and thus space- and cost- effective, enabling multiple passes of the electron beam in a single recirculation beam line, using the superconducting RF (SRF) linac multiple times. The FFAG-ERL moves the cost optimized linac and recirculation lattice to a dramatically better optimum. The prime accelerator science motivation for C$β$ is proving that the FFAG-ERL concept works. This is an important milestone for the Brookhaven National Laboratory (BNL) plans to build a major Nuclear Physics facility, eRHIC, based on producing 21 GeV electron beams to collide with the RHIC ion beams. A consequence of the C$β$ work would be the availability of significantly better, cost-effective, compact CW high-brightness electron beams for a plethora of scientific investigations and applications, such as X-ray sources, dark-matter and dark-energy searches, and industrial high-power Free-Electron Laser (FEL) applications. C$β$ brings together the resources and expertise of a large DOE National Laboratory, BNL, and a leading research university, Cornell. C$β$ will be built in an existing building at Cornell, for the most part using components that have been developed under previous R&D programs, including a fully commissioned world-leading photoemission electron injector, a large SRF accelerator module, and a high-power beam stop. The only elements that require design and construction from scratch is the FFAG magnet transport lattice. This white paper describes a project that promises to propel high-power, high-brightness electron beam science and applications to an exciting new level.

연구 동기 및 목표

• 에너지 복원 라인어크(ERL)에서 비스케일링 FFAG 격자의 실현 가능성을 입증함으로써, 향후 eRHIC 핵물리 시설의 핵심 기술 혁신을 이끌 것.
• 초전도 RF(SRF) 라인어크와 NS-FFAG 광학을 통합하여 다중 빔 통과를 실현함으로써 크기와 비용을 감소시키는 것.
• 다중 통과 ERL 구성에서 고광도, 고출력 연속파(CW) 전자 빔을 위한 고성능 진단 및 장비 개발 및 시험.
• 고광도, 좁은 스펙트럼 폭의 감마선과 빔 안정성 덕분에 핵물리, 재료 과학, 산업용 자유전자 레이저 분야의 새로운 응용 가능성을 열 것.
• 국립 연구소와 대학 간 협업 모델을 구축하여 차세대 가속기 기술의 비용 효율적이고 신속한 프로토타이핑을 가능하게 할 것.

제안 방법

• Cornell의 세계적 수준의 광전자 방출 전자 인젝터 및 SRF 라인어크 냉각 모듈을 그대로 활용하여 신규 하드웨어 개발 최소화.
• 두 개의 겹쳐진 빔라인 아크를 갖춘 비스케일링 FFAG(NS-FFAG) 격자를 구현하여 단일 SRF 라인어크를 통과하는 8회 통과(4회 가속, 4회 감속)를 가능하게 함.
• ERL을 세 가지 모드로 운영: 시운전(0.1 nC/번치), 연속파(CW) 물리 운영(0.1–1.0 nC/번치), 전용 실험(≤5 nC/번치).
• 1300 MHz RF 시스템을 사용하며, 0.7692 ns 주기와 279번째 회전 조화율을 적용하여 빔 위상 동기화 및 번치 겹침 방지.
• 모든 서브시스템, 빔 진단 및 장비를 포함한 실시간 모니터링 및 자동화를 위한 확장 가능한 EPICS 기반 제어 시스템 도입.
• FFAG 셀 내에서 빔 역학 및 불안정성 연구를 위해 고대역폭 진단 장비, 고시간 해상도 BPM 및 이온 청소 메커니즘을 구현함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고광도 전자 빔이 초전도 ERL에서 비스케일링 FFAG 격자를 통해 다중 통과를 수행할 때, 빔 분열 또는 불안정성이 발생하지 않도록 안정적으로 작동할 수 있는가?
• RQ2 고전류 및 고에너지 조건에서 다중 통과 NS-FFAG 격자와 에너지 복원 기능을 갖춘 빔 역학 및 에미턴스 증가 특성은 어떠한가?
• RQ3 FFAG 격자 내에서 다양한 에너지 상태를 거쳐가는 동안 빔 매개변수(위치, 에너지, 크기, 손실)를 효과적으로 모니터링하기 위해 고대역폭 진단 및 장비를 어떻게 구현할 수 있는가?
• RQ4 기존 설계 대비 NS-FFAG-ERL 구성이 향후 고출력 전자 가속기의 크기와 비용을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ5 프로토타입이 Compton 산란 및 FEL 응용에 적합한 빔 매개변수를 갖춘 안정적이고 장시간 연속파 운영을 성공적으로 구현할 수 있는가?

주요 결과

• Cβ 설계는 64.34 m의 가속기 둘레와 214.6 ns의 회전 주기, 279번째 조화율을 확보하여, 각 RF 주기당 한 개의 가속 및 한 개의 감속 번지가 존재하는 안정적인 다중 통과 운영을 가능하게 한다.
• NS-FFAG 격자는 단일 SRF 라인어크를 통과하는 4회 가속 및 4회 감속 통과를 허용하며, 통과당 70 MeV의 에너지 증가와 7단계 에너지 램프(76~286 MeV)를 달성한다.
• 1 nC 기준 빔 에미턴스는 2 μm-rms 유지되며, 일반적인 빔 크기는 50 μm(범위 20–80 μm)로, 정밀 실험에 적합한 높은 빔 품질을 나타낸다.
• 인젝터 및 SRF 냉각 모듈은 이미 Cornell에서 시운전 완료되어 프로젝트 리스크와 개발 기간을 감소시킨다.
• EPICS 기반 제어 시스템은 확장 가능한 실시간 모니터링 및 자동화를 지원하여 모든 운영 모드 및 진단 기능을 뒷받침한다.
• 장비 프로토타이핑 목표로 고시간 해상도 BPM, 이온 청소 메커니즘, FFAG 셀 내 빔 크기 측정을 위한 고대역폭 진단 장비를 포함하며, 이는 eRHIC 준비에 있어 핵심적이다.