[论文解读] 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 11

一句话总结

本文提出一种新型常导C波段射频直线加速器结构，采用分布式耦合与液氮冷却技术，实现未来TeV量级e⁺e⁻直线对撞机所需的120 MeV/m高梯度。通过优化腔体几何形状与射频功率分布，该设计提升了阻抗并降低了击穿率，首次在额定梯度下成功完成该类结构的低温运行，验证了其可行性。

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.

研究动机与目标

• 解决下一代e⁺e⁻直线对撞机中常导射频直线加速器实现高梯度的挑战。
• 通过探索具有优化腔体几何形状的新分布式耦合拓扑结构，克服传统直线加速器结构的局限性。
• 通过提升阻抗并减少峰值射频功率需求，降低系统成本并提高效率。
• 通过集成直接液氮冷却技术，提高品质因数并减少热效应，实现高梯度运行。
• 证明常导结构在低温运行下实现高梯度性能的可行性。

提出的方法

• 设计一种C波段常导射频直线加速器结构，采用分布式耦合，实现对每个腔体的独立射频功率分配。
• 利用电磁仿真与热力建模，优化腔体几何形状以实现高阻抗与低击穿率。
• 通过内部流道实现对每个腔体的精确射频功率输送，将功率承载能力与结构几何形状解耦。
• 对结构实施直接液氮冷却，以降低表面电阻并提高Q因子，从而增强阻抗。
• 首次实验演示了在低温温度与120 MeV/m梯度下运行的分布式耦合常导射频直线加速器结构。
• 采用成本优化模型指导设计决策，重点聚焦于最小化峰值射频功率这一主要成本驱动因素。

实验结果

研究问题

• RQ1 分布式耦合常导射频直线加速器结构能否在保持高可靠性与低击穿率的前提下实现120 MeV/m的梯度？
• RQ2 直接液氮冷却对常导射频结构的阻抗与击穿阈值有何影响？
• RQ3 在高能对撞机背景下，何种最优腔体几何形状与频率可实现梯度性能、功率承载能力与成本之间的平衡？
• RQ4 分布式耦合拓扑结构能否在保持高加速效率的同时实现每个腔体的独立射频功率供给？
• RQ5 常温下常导射频结构的高梯度运行实际极限是什么？低温冷却如何缓解这些限制？

主要发现

• 所提出的常导射频直线加速器结构实现了额定加速梯度120 MeV/m，验证了常导配置下的高梯度性能。
• 直接液氮冷却显著提升了阻抗，降低了所需峰值射频功率，提高了系统效率。
• 分布式耦合设计实现了对每个腔体的独立射频功率供给，使几何形状可专门优化以实现高Q值与低击穿率。
• 首次实现低温冷却、分布式耦合的常导射频直线加速器结构在120 MeV/m梯度下的实验运行，证实了高梯度运行的可行性。
• 成本优化分析表明，最小化峰值射频功率是降低整体系统成本的主导因素，支持高阻抗设计。
• 该设计在高性能、可制造性与成本之间实现了良好平衡，为未来TeV量级e⁺e⁻对撞机提供了一种可行的解决方案。