[论文解读] A High-Intensity H- Linac at CERN Based on LEP-2 Cavities

M. Vretenar|ArXiv.org|Aug 18, 2000

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 11被引用 3

一句话总结

本文提出在CERN利用退役的LEP-2腔体和速调管，建造一台2.2 GeV的超导H⁻直线加速器，以实现高强度质子束，服务于未来应用。该直线加速器采用脉冲运行模式，具有高占空比，再利用40%的LEP-2腔体和57%的低温容器，实现4 MW的束流功率，支持中微子工厂驱动器和下一代放射性束设施的应用。

ABSTRACT

In view of a possible evolution of the CERN accelerator complex towards higher proton intensities, a 2.2 GeV H- linac with 4 MW beam power has been designed, for use in connection with an accumulator and compressor ring as proton driver of a muon-based Neutrino Factory. The high-energy part of this linac can use most of the RF equipment (superconducting cavities and klystrons) from the LEP collider after its decommissioning at the end of 2000. Recent results concerning low-beta superconducting cavities are presented, and the main characteristics of the linac design are described. The complete linac-based proton driver facility is outlined, and the impact on the linac design of the requirements specific to a Neutrino Factory is underlined.

研究动机与目标

• 本文旨在将2000年退役的LEP-2射频部件重新用于高强度质子直线加速器，以支持未来CERN加速器项目。
• 解决2000年LEP-2退役后，如何再利用其宝贵的超导射频硬件的挑战。
• 目标是设计一台直线加速器，以提升PS环的束流亮度和强度，支持LHC及未来实验。
• 研究LEP-2腔体在质子加速中，特别是在低β值区域的可行性，此时渡越时间因子较低。
• 通过提供4 MW束流功率的高功率质子驱动器，支持中微子工厂的发展。

提出的方法

• 直线加速器设计采用288个LEP-2超导腔体（352.2 MHz，4.5 K）和36个速调管，均从LEP-2再利用，用于质子加速。
• 直线加速器分为正常导体段（7–120 MeV），采用Alvarez结构和侧耦合DTL结构，随后是四段β值分别为0.52、0.7、0.8和1.0的超导段。
• β=0.52和β=0.7的腔体采用铜基体上溅射铌制成，而β=0.8和β=1.0的腔体则使用现有的LEP-2腔体。
• 实施反馈系统以抑制洛伦兹力失谐和机械振动对束流能量的影响，仿真表明可容忍±40 Hz的随机腔体频率抖动。
• 采用高占空比（最高达5%）的脉冲运行模式，以提高工频到射频的效率并减少低温损耗。
• 布局经过优化，可集成于CERN梅里纳园区，利用现有隧道和基础设施，最大限度降低环境影响和建设成本。

实验结果

研究问题

• RQ1 原本为β=1设计的LEP-2超导腔体，能否在低β值下有效再用于质子直线加速器？
• RQ2 LEP-2腔体的有效加速梯度如何随质子能量变化？在何种能量下可实现高功率运行的经济可行性？
• RQ3 如何在使用存在潜在机械和射频不稳定的再利用腔体的超导直线加速器中，维持束流质量和稳定性？
• RQ4 何种直线加速器配置（包括正常导体段和超导段）可实现2.2 GeV能量下4 MW束流功率的高效率和低损耗？
• RQ5 现有的LEP-2射频基础设施（速调管、低温容器、耦合器）能否适应在质子直线加速器中实现高占空比脉冲运行？

主要发现

• 在1 GeV能量下，LEP-2腔体实现了7.5 MV/m的有效梯度，部分腔体在LEP-2运行期间最高达到9 MV/m。
• 由于渡越时间因子较低，有效梯度在1 GeV以下显著下降，因此仅在1 GeV以上运行才具备效率优势。
• 原型β=0.8腔体达到了10 MV/m，仿真表明为新制备的β=0.8腔体设计9 MV/m的梯度是可行的。
• 反馈系统可容忍高达±40 Hz的随机腔体频率抖动，而不会使束流能量展宽超出累积环±10 MeV的接受度。
• 多粒子仿真证实，即使存在输入束流失配和元件误差，超导段仍能实现稳定的束流动力学。
• 所提出的直线加速器布局仅使用40%的LEP-2腔体、57%的低温容器和全部速调管，即可在2.2 GeV下实现4 MW束流功率，具有高再利用率和低基础设施成本。