[論文レビュー] An Advanced NCRF Linac Concept for a High Energy e$^+$e$^-$ Linear Collider

K. Bane, Timothy L. Barklow+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2018

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 7被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、将来のTeVスケールe⁺e⁻線形衝突機用に、分散結合と液体窒素冷却を用いた新規常伝導CバンドRFリニアック構造を提案し、120 MeV/mの高い加速勾配を達成する。キャビティの幾何形状とRFパワー分配の最適化により、還流インピーダンスを向上させ、破壊を低減し、定格勾配での初回の冷却運転により実現可能性を実証した。

ABSTRACT

We have explored a concept for an advanced Normal-Conducting Radio-Frequency (NCRF) C-band linear accelerator (linac) structure to achieve a high gradient, high power e$^+$e$^-$ linear collider in the TeV class. This design study represents the first comprehensive investigation for an emerging class of distributed coupling accelerator topology exploring nominal cavity geometries, frequency and temperature of operation. The structure features internal manifolds for distributing RF power separately to each cell, permitting the full structure geometry to be designed for high shunt impedance and low breakdown. Optimized within operational constraints, we find that it is advantageous for the structure to be cooled directly by liquid nitrogen (LN), further increasing the shunt impedance. A crucial part of this design process has been cost optimization, which is largely driven by the cost of peak RF power. The first operation of a distributed coupling structure at cryogenic temperatures and the nominal operating gradient 120 MeV/m is also presented, demonstrating the feasibility of achieving high-gradient performance with a cryogenically-cooled normal-conducting accelerating structure.

研究の動機と目的

• 次世代e⁺e⁻線形衝突機用に、常伝導RFリニアックで高い加速勾配を達成する挑戦に取り組む。
• 従来のリニアック構造の制限を超えるために、最適化されたキャビティ幾何形状を有する新規な分散結合トポロジーを検討する。
• 還流インピーダンスの向上によりピークRFパワー要件を低減することで、コストを削減し効率を向上させる。
• 表面抵抗の低減とQファクターの向上により、高勾配運用を可能にするために直接液体窒素冷却を統合する。
• 常伝導構造における冷却運転の実現可能性を、高勾配性能を達成する上で実証する。

提案手法

• 各セルに独立したRFパワー分配が可能な分散結合を有するCバンド常伝導RFリニアック構造を設計する。
• 電磁界シミュレーションと熱的モデリングを用いて、高還流インピーダンスと低破壊率を実現するキャビティ幾何形状を最適化する。
• 各セルへの正確なRFパワー供給を実現するための内部マニホールドを実装し、パワー処理能力と構造的形状を分離する。
• 表面抵抗の低減とQファクターの向上を図るため、構造体に直接液体窒素冷却を適用する。
• 分散結合型常伝導RFリニアック構造を冷却温度で運転し、120 MeV/mの勾配で初回の実験的デモンストレーションを実施する。
• ピークRFパワーを主なコスト要因とみなしたコスト最適化モデルを用いて設計意思決定を支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散結合型常伝導RFリニアック構造は、高い信頼性と低破壊率を維持しながら120 MeV/mの勾配を達成できるか？
• RQ2 直接液体窒素冷却は、常伝導RF構造における還流インピーダンスと破壊閾値にどのように影響を与えるか？
• RQ3 高エネルギー衝突機の文脈において、勾配性能、パワー処理能力、コストのバランスを取るために最適なキャビティ幾何形状と周波数は何か？
• RQ4 分散結合トポロジーは、各セルごとに独立したRFパワー供給を可能にすると同時に、高い加速効率を維持できるか？
• RQ5 常温下の常伝導構造における高勾配運用の実用的限界は何か？冷却によってそれらの限界はどのように緩和できるか？

主な発見

• 提案された常伝導RFリニアック構造は、定格加速勾配120 MeV/mを達成し、常伝導構造における高勾配性能を実証した。
• 直接液体窒素冷却により還流インピーダンスが顕著に向上し、必要なピークRFパワーが低減され、効率が向上した。
• 分散結合設計により、各セルへの独立したRFパワー供給が可能となり、高Qおよび低破壊率を実現するための幾何形状最適化が可能になった。
• 120 MeV/mの勾配で冷却温度下で運転された分散結合型常伝導RFリニアック構造の初回実験的運転により、高勾配運用の実現可能性が確認された。
• コスト最適化の結果、ピークRFパワーの最小化が全体のシステムコストを削減する上で主要因であることが判明し、高還流インピーダンス設計が好ましいことが示された。
• 本設計は、高性能、製造可能性、コストのバランスを図っており、将来のTeVスケールe⁺e⁻衝突機にとって実現可能な選択肢であると位置づけられる。