[论文解读] Development of Superconducting Linac for the Kek/Jaeri Joint Project

M. Mizumoto, Nobuo Ouchi+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2000

Superconducting Materials and Applications参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文介绍了KEK/JAERI联合高强质子加速器项目中超导直线加速器的设计与研发进展，采用等分原理以实现将质子注入3 GeV快循环同步加速器时的动量展宽低于±0.1%。关键成果包括在2 K下成功完成单细胞和5-cell腔体的垂直测试，分别达到23 MV/m（β=0.50）和31 MV/m（β=0.89）的峰值表面场强，并验证了脉冲模式运行下动态洛伦兹频移效应的模型。

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.

研究动机与目标

• 开发一台超导直线加速器，可将质子从400 MeV加速至600 MeV，动量展宽低于±0.1%，以实现注入3 GeV快循环同步加速器。
• 解决在脉冲模式下超导射频腔实现高梯度运行所面临的技术挑战。
• 通过实验测试验证超导腔体在脉冲运行下的动态洛伦兹频移模型。
• 在2 K下实现多细胞（5-cell）腔体的高场强性能，为未来高强度中子源应用提供支持。

提出的方法

• 采用等分原理设计超导直线加速器系统，以确保束流动力学稳定并实现低动量展宽。
• 在2 K下对单细胞和5-cell超导腔体进行垂直测试，以评估场强性能和Q值。
• 在脉冲运行条件下，测得5-cell腔体的最大电场表面峰值场强分别为23 MV/m（β=0.50）和31 MV/m（β=0.89）。
• 建立动态洛伦兹频移模型，用于模拟脉冲运行期间因表面电流和热效应引起的腔体频率偏移。
• 通过比较5-cell腔体的仿真结果与实测数据，对模型进行实验验证。
• 利用实验结果指导未来高梯度、高占空比超导直线加速器系统的优化设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 在β=0.50和β=0.89条件下，5-cell超导腔在2 K下可实现的最大表面电场强度是多少？
• RQ2 在超导腔脉冲运行期间，动态洛伦兹频移效应的建模精度如何？
• RQ3 等分原理是否能有效在超导直线加速器中维持低于±0.1%的动量展宽，以满足高强度质子束流的要求？
• RQ4 在脉冲运行条件下，实现更高加速梯度的超导腔面临哪些关键限制？
• RQ5 垂直腔体测试的实验结果与洛伦兹频移理论预测之间的相关性如何？

主要发现

• 在β=0.50条件下，5-cell腔体在2 K下实现了23 MV/m的最大表面电场强度，表明其在脉冲条件下具备稳定运行能力。
• 在β=0.89条件下，5-cell腔体达到31 MV/m的峰值表面场强，显示出在高能质子加速方面的高性能潜力。
• 动态洛伦兹频移模型通过实验得到验证，仿真结果与实测腔体频率偏移行为高度一致。
• 垂直测试结果证实了多细胞超导腔实现高梯度运行的可行性，支持了全尺寸直线加速器的设计。
• 结果支持采用等分原理实现注入同步加速器所需的低于±0.1%的动量展宽。
• 经验证的模型可实现对未来高强度加速器系统中腔体行为的精确预测与控制。