[论文解读] An Upgrade Path for the Fermilab Accelerator Complex

R. Ainsworth, J. Dey+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

Particle accelerators and beam dynamics被引用 10

一句话总结

本文提出了一套全面的升级方案，旨在将费米国家加速器实验室（Fermilab）加速器综合体的光束功率从1.2 MW提升至2.4 MW，以支持DUNE/LBNF中微子计划。该方案用一台新的2 GeV快速循环同步加速器（RCS）取代老旧的Booster同步加速器，并将PIP-II直线加速器升级至2 GeV。该计划支持更高强度运行，为未来4 MW升级预留空间，并为低能和中能物理实验开辟新机遇。

ABSTRACT

The completion of the PIP-II project and its superconducting linear accelerator will provide up to 1.2 MW of beam power to the LBNF/DUNE facility for neutrino physics. It will also be able to produce high-power beams directly from the linac that can be used for lower-energy particle physics experiments as well, such as directing beam toward the Muon Campus at Fermilab for example. Any further significant upgrade of the beam power to DUNE, however, will be impeded by the limitations of the present Booster synchrotron at the facility. To increase the power to DUNE by a factor of two would require a new accelerator arrangement to feed the Main Injector that does not include the Booster. In what follows, a path toward upgrading the Fermilab accelerator complex to bring the beam power for DUNE to 2.4 MW is presented, using a new rapid-cycling synchrotron plus an energy upgrade to the PIP-II linac. The path includes the ability to instigate a new lower-energy, very high-power beam delivery system for experiments that can address much of the science program presented by the Booster Replacement Science Working Group. It also allows for the future possibility to go beyond 2.4 MW up to roughly 4 MW from the Main Injector.

研究动机与目标

• 解决现有费米国家加速器实验室Booster同步加速器在将DUNE/LBNF中微子计划的光束功率提升至1.2 MW以上时所面临的根本性瓶颈。
• 通过用新型快速循环同步加速器（RCS）取代Booster并升级PIP-II直线加速器至2 GeV能量，实现Main Injector光束功率提升至2.4 MW。
• 通过在约2 GeV和约8 GeV能量下同时实现MW量级光束输送，支持广泛的低能和中能物理实验。
• 通过优化RCS和MI的重复频率及射频（RF）性能，确保与未来约4 MW升级的兼容性。
• 通过使加速器设计与加速器科学与技术的持续研发进展保持一致，为长期科学进步保留灵活性。

提出的方法

• 用一台新的2 GeV快速循环同步加速器（RCS）取代费米国家加速器实验室Booster，直接向Main Injector注入高强度质子束。
• 将PIP-II超导直线加速器的能量从0.8 GeV提升至2.0 GeV，以减少注入RCS时的空间电荷效应并改善束流质量。
• 将PIP-II直线加速器隧道延长约400英尺，以在不需重新开展环境评估的情况下完成能量升级。
• 采用渐进式、仅脉冲运行的模式实施能量升级，以降低成本并实现分阶段部署。
• 通过增加射频（RF）腔站数量（最多33个）来增强Main Injector的RF系统，以支持600 GeV/sec的加速速率，总RF电压需求约为7.5 MV。
• 优化RCS的束流轨道结构和注入方案，以支持高强度运行，并通过提高加速速率和改善RF性能，为未来升级至4 MW提供支持。

实验结果

研究问题

• RQ1 在现有Booster同步加速器存在局限性的前提下，如何确定将DUNE/LBNF中微子计划光束功率从1.2 MW提升至2.4 MW的最优加速器配置？
• RQ2 如何将PIP-II直线加速器升级至2 GeV，以改善束流质量并减少注入新型RCS时的空间电荷效应？
• RQ3 支持2.4 MW光束功率和未来4 MW运行的新型快速循环同步加速器的技术与运行需求是什么？
• RQ4 如何升级Main Injector的RF系统以支持更高束流强度和更短的循环周期？
• RQ5 能否实现低能（约2 GeV）和中能（约8 GeV）的高功率光束并行输送，以支持多样化的物理实验？

主要发现

• 所提出的升级路径通过用新型2 GeV快速循环同步加速器（RCS）取代费米国家加速器实验室Booster，实现了Main Injector光束功率提升至2.4 MW。
• 通过延长400英尺隧道，可将PIP-II直线加速器升级至2.0 GeV，实现渐进式、成本效益高的部署，且无需新的环境评估。
• 新型RCS设计可支持每秒注入高达1.85×10^14个质子，加速速率为600 GeV/sec，总RF电压需求为7.5 MV，分布在31至33个腔体之间。
• 该升级路径可通过提高Main Injector的加速速率和改善RF性能，兼容未来4 MW光束功率的升级。
• 新型加速器构型支持在约2 GeV和约8 GeV能量下并行实现高功率光束输送，可为广泛的低能和中能物理实验提供支持。
• 由于新型RCS具有更高的强度和重复频率，Recycler Ring极有可能被退役，从而消除了对滑动堆叠（slip stacking）的需求。