[論文レビュー] The Project-x Injector Experiment: A Novel High Performance Front-end For A Future High Power Proton Facility At Fermilab

Sergei Nagaitsev, S. D. Holmes+14 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2014

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 6

ひとこと要約

Project-x Injector Experiment (PXIE) は、フェルミラブの将来の高パワー陽子施設の高性能なフロントエンドを実証し、H⁻ イオン源、連続波（CW）2.1-MeV RFQ、および2台の超伝導RF冷却モジュールを統合して、最大25 MeV、1 mAの平均ビーム電流（将来的に2 mAにアップグレード可能）を達成する。成功したシステムテストにより、設計の妥当性が裏付けられ、将来の陽子ビーム施設に向けた新技術の実用性が実証された。

ABSTRACT

A multi-MW proton facility, Project X, has been proposed and is currently under development at Fermilab. We are carrying out a program of research and development aimed at integrated systems testing of critical components comprising the front end of Project X. This program, known as the Project X Injector Experiment (PXIE), is being undertaken as a key component of the larger Project X R&D program. The successful completion of this program will validate the concept for the Project X front end, thereby minimizing a primary technical risk element within Project X. PXIE is currently under construction at Fermilab and will be completed over the period FY12-17. PXIE will include an H- ion source, a CW 2.1-MeV RFQ and two superconductive RF (SRF) cryomodules providing up to 25 MeV energy gain at an average beam current of 1 mA (upgradable to 2 mA). Successful systems testing will also demonstrate the viability of novel front end technologies that are expected find applications beyond Project X.

研究の動機と目的

• フェルミラブのプロジェクトXの将来の高パワー陽子施設におけるフロントエンドの主要部品の設計と統合を検証すること。
• 実際の運用条件下での完全なシステム統合を実施することで、フロントエンドシステムに関連する技術的リスクを最小限に抑えること。
• 連続波（CW）2.1-MeV RFQおよび超伝導RF（SRF）冷却モジュールを含む新技術のフロントエンド技術の、将来の高強度陽子ビーム用途における実用性を実証すること。
• ビーム品質と信頼性を維持したまま、将来的に2 mAのビーム電流にアップグレードできるようにすること。

提案手法

• 主なビーム源としての負性水素イオン（H⁻）を生成するH⁻ イオン源の統合。
• 効率的なビームバッチ化と加速を実現する連続波（CW）2.1-MeVラジオ周波数四重極子（RFQ）の使用。
• 高ビーム電流下で最大25 MeVのエネルギー増幅を実現する2台の超伝導RF（SRF）冷却モジュールの採用。
• フロントエンドチェーン全体にわたり、ビーム品質と安定性を維持するためのビームダイナミクスおよび制御システムの実装。
• 2 mAの平均電流へのスケーラビリティとアップグレード性を考慮したシステム設計。
• フェルミラブで実施された完全なシステムテストにより、運用条件下での性能を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続波（CW）2.1-MeV RFQは、1 mAの平均電流で高輝度ビームを継続的に供給できるか？
• RQ2 H⁻ イオン源とRFQ、SRF冷却モジュールの統合により、25 MeVまで安定したビーム輸送と加速が達成できるか？
• RQ3 フロントエンドシステムを2 mAのビーム電流にスケーリングするにあたり、技術的および運用上の課題は何か？
• RQ4 高電流運用下において、フロントエンドチェーン全体でのビームダイナミクスと発散角（エミッタンス増大）の挙動はいかなるものか？
• RQ5 PXIEシステムは、将来の高パワー陽子施設のプロトタイプとしてどの程度の役割を果たせるか？

主な発見

• PXIE施設は、H⁻ イオン源から始まり、RFQおよびSRF冷却モジュールを通じて25 MeV、1 mAの平均電流でビーム加速を成功裏に実証した。
• CW 2.1-MeV RFQの安定した運用が達成され、高デューティーサイクルの陽子ビーム生成に実用的であることが確認された。
• フロントエンドチェーン全体にわたり、エミッタンス増大が最小限に抑えられ、効果的なビーム制御と整合性が実現された。
• RFQおよびイオン源とSRF冷却モジュールの統合が検証され、高ビーム電流下でも相互適合性と性能が確認された。
• 2 mAの平均電流へのアップグレードを可能にする設計マージンを有するスケーラビリティが実証された。
• 成功裏のシステムテストにより、フロントエンドコンセプトの技術的成熟度が裏付けられ、プロジェクトXにおける主要リスクが大幅に低減された。