[论文解读] FNAL PIP-II Accumulator Ring

W. Pellico, Chandra R. Bhat+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Particle accelerators and beam dynamics被引用 5

一句话总结

本文提出在费米实验室的PIP-II加速器转移线区域设计并建造一个0.8 GeV（可升级至1+ GeV）的永磁体基累积环（PAR），以实现未来高功率中微子和暗物质物理计划中向 Booster 注入高强度质子束。PAR 支持连续波（CW）直线加速器运行，降低注入损失，简化射频（RF）相位锁定，并支持超过100 kW的束流功率，用于暗物质物理实验，其中8 GeV中微子计划的预计束流功率为87 kW。

ABSTRACT

The FNAL accelerator complex is poised to reach MW neutrino beams on target for the exploration of the dark sector physics and rare physics program spaces. Future operations of the complex will include CW linac operations at beam intensities that have not been seen before \cite{PIP2,RCS_LOI}. The ambitious beam program relies on multi-turn H$^{-}$ injection into the FNAL Booster and then extracted into delivery rings or the Booster Neutrino Beam (BNB) 8 GeV HEP program. A new rapid-cycling synchrotron (RCS) will be required to reach the LBNF goal of 2.4 MW because of intense space-charge limitations. There are many accelerator engineering challenges that are already known and many that will be discovered. This proposal calls for an intermediate step that will both facilitate the operation of Booster in the PIP-II era and gain operational experience associated with high power injection rings. This step includes the design, construction and installation of a 0.8 GeV accumulator ring (upgradeable to 1+ GeV) to be located in the PIP-II Booster Transfer Line (BTL). The PIP-II accumulator ring (PAR) may be primarily designed around permanent magnets or use standard iron core magnet technology with an aperture selected to accommodate the desired high intensity protons at 0.8 GeV.

研究动机与目标

• 解决在前所未有的束流强度下，将高强度质子束注入PIP-II Booster的挑战。
• 通过将H⁻剥离和束流累积功能移至专用环，减少Booster中的注入损失和运行复杂性。
• 为未来的2.4 MW中微子束流计划和暗物质物理实验，实现高功率、连续波（CW）束流运行。
• 提供一个灵活且可升级的平台，用于未来提升束流能量及利用PIP-II基础设施开展新物理计划。
• 通过支持世界领先灵敏度的100吨液氩闪烁探测器（PIP2-BD），加速暗物质物理研究进程。

提出的方法

• 设计一个折叠式0.8 GeV累积环（PAR），总周长约为477米，使用Booster一半的周长，位于PIP-II加速器转移线（BTL）区域。
• 采用永磁体技术（Nd2Fe14B或Sm2Co17），在3.1英寸孔径内实现约0.3 T的磁场，实现零功耗运行并提高可靠性。
• 从PIP-II直线加速器实现单转注入至PAR，随后进行束流累积，再将束流传输至Booster进行加速至8 GeV。
• 在长直段集成射频（RF）腔体和提取硬件，通过屏蔽和注入区域的束流终止器设计实现束流损失控制。
• 实现PAR RF与PIP-II直线加速器RF的相位锁定，相比锁定至Booster RF，简化了同步控制。
• 利用Geant4和BdNMC模拟束流动力学和探测器响应，评估在拟议的100吨液氩探测器（PIP2-BD）中对暗物质信号和CEvNS背景的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计出一个0.8 GeV的永磁体累积环，以满足未来2.4 MW中微子束流计划所需的束流强度和功率水平？
• RQ2 将束流累积和H⁻剥离功能移至PAR后，如何降低Booster中的注入损失并提升运行稳定性？
• RQ3 使用PAR可实现的暗物质物理实验束流功率是多少？能否支持对轻子禁闭型和矢量门控型暗物质的国际领先灵敏度？
• RQ4 PAR在多大程度上简化了PIP-II和DUNE计划的RF同步控制并缩短了启动时间？
• RQ5 PAR设计能否在不进行重大修改的情况下，升级以接受来自PIP-II直线加速器的更高束流能量？

主要发现

• PAR设计可实现超过100 kW的束流功率用于暗物质物理实验，其中8 GeV中微子高能物理计划的预计束流功率为87 kW。
• 折叠环布局利用Booster一半的周长，使PAR在PIP-II BTL区域具有紧凑的占地面积，对PIP-II建设影响极小。
• 永磁体技术显著降低功耗，提高可靠性，并降低装配成本，其基准磁场约为0.3 T，孔径为3.1英寸。
• 由于PAR具有平坦磁场分布，其RF与PIP-II直线加速器RF的相位锁定比与Booster RF锁定更简单，从而提升了注入稳定性。
• 所提出的PIP2-BD探测器位于PAR驱动的碳束流终止器下游18米处，对轻子禁闭型和矢量门控型暗物质模型的灵敏度达到世界领先水平，90%置信水平。
• 在5年运行周期且运行时间率达75%的条件下，该系统可探测标量暗物质的热重子密度目标，覆盖亚GeV质量范围，设定新的物理极限。