[论文解读] Muon Acceleration to 750 GeV in the Tevatron Tunnel for a 1.5 TeV mu+ mu- Collider

D. J. Summers, L. Cremaldi+4 more|ArXiv.org|Jul 2, 2007

Particle accelerators and beam dynamics被引用 4

一句话总结

本文提出一种利用现有 Tevatron 隧道的双环缪子加速器系统，实现 1.5 TeV 缪子对撞。该系统分两个阶段将缪子从 30 GeV 加速至 750 GeV：在 400 Hz 下经 28 个轨道将能量从 30–400 GeV 加速，再在 550 Hz 下经 44 个轨道将能量从 400–750 GeV 加速。该设计采用超导射频腔、具有相反与同相斜坡特性的混合型偶极系统以及固定超导偶极，通过优化磁铁系统，分别实现 80% 和 92% 的缪子存活率，同时通过高频、低占空比运行实现低功耗。

ABSTRACT

Muon acceleration from 30 to 750 GeV in 72 orbits using two rings in the 1000m radius Tevatron tunnel is explored. The first ring ramps at 400 Hz and accelerates muons from 30 to 400 GeV in 28 orbits using 14 GV of 1.3 GHz superconducting RF. The ring duplicates the Fermilab 400 GeV main ring FODO lattice, which had a 61m cell length. Muon survival is 80%. The second ring accelerates muons from 400 to 750 GeV in 44 orbits using 8 GV of 1.3 GHz superconducting RF. The 30 T/m main ring quadrupoles are lengthened 87% to 3.3m. The four main ring dipoles in each half cell are replaced by three dipoles which ramp at 550 Hz from -1.8T to +1.8T interleaved with two 8T fixed superconducting dipoles. The ramping and superconducting dipoles oppose each other at 400 GeV and act in unison at 750 GeV. Muon survival is 92%. Two mm copper wire, 0.28mm grain oriented silicon steel laminations, and a low duty cycle mitigate eddy current losses. Low emittance muon bunches allow small aperatures and permit magnets to ramp with a few thousand volts. Little civil construction is required. The tunnel exists.

研究动机与目标

• 设计一条利用现有 Tevatron 隧道基础设施实现 1.5 TeV 缪子对撞机的实用路径。
• 通过重用 1000 米半径隧道，实现最小化土木工程的新建，实现高能缪子加速。
• 通过优化磁铁晶格和射频系统，在加速过程中实现高达 80% 和 92% 的缪子存活率。
• 通过高频、低占空比的磁铁运行方式以及薄层叠钢芯，最小化功耗和涡流损耗。
• 展示在 72 个轨道内，通过两个具有定制射频和磁场分布的环，将缪子从 30 GeV 加速至 750 GeV 的可行性。

提出的方法

• 使用 400 Hz 同步加速器环，配备 14 GV 的 1.3 GHz 超导射频腔，通过 28 个轨道将缪子从 30 GeV 加速至 400 GeV，采用改进的费米实验室主环 FODO 晶格。
• 采用长度为 3.3 米的 30 T/m 四极磁铁，每半个单元中配置四个斜坡偶极，每个偶极在 400 Hz 下从 -1.8 T 斜坡至 +1.8 T，与固定 8 T 超导偶极交错排列。
• 在 550 Hz 混合环中实现 400–750 GeV 加速，将每个半单元中的四个偶极替换为五个：三个斜坡偶极和两个固定 8 T 超导偶极。
• 在 42 个位置（14 GV）和 12 个位置（8 GV）使用 10 MW 脉塞管和 1.3 GHz 超导射频腔，以补充因同步辐射损失的能量。
• 通过低占空比（1.6% 和 2.4%）降低功耗，磁铁能量通过 LC 电路储存，并通过二极管和电感器复位。
• 通过 0.28 mm 取向硅钢片层和毫米直径铜线绕组，优化磁场质量并最小化涡流损耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不进行大量新建工程的前提下，利用现有 Tevatron 隧道实现 1.5 TeV 缪子对撞机？
• RQ2 在采用超导射频和混合偶极的双环加速方案下，缪子最大可达到的能量和存活率是多少？
• RQ3 如何在高频频段、快速斜坡的磁铁中最小化涡流损耗和 I²R 损耗，以适应寿命短暂的缪子？
• RQ4 为维持 1.3 GHz 超导射频腔在 10 MW 输出下稳定运行，需要多大射频功率和何种腔体设计，以支持每束 4×10¹² 个缪子？
• RQ5 通过调节轨道半径并利用同步振荡，能否在快速加速过程中保持纵向相空间稳定？

主要发现

• 在 28 个轨道内，通过 14 GV 的 1.3 GHz 超导射频腔和 400 Hz 斜坡环，缪子从 30–400 GeV 加速时存活率达到 80%。
• 在 44 个轨道内，通过 8 GV 的 1.3 GHz 超导射频腔和 550 Hz 混合环，缪子从 400–750 GeV 加速时存活率提升至 92%。
• 由于占空比分别为 1.6% 和 2.4%，400 Hz 环的总功耗降低至 540 kW，550 Hz 环的总功耗降低至 1200 kW。
• 通过 400 Hz 和 550 Hz 下的趋肤效应，涡流损耗最小化至钢厚度的 2%，核心损耗分别估算为 23 W/kg 和 40 W/kg。
• 系统实现稳定的纵向动力学，同步振荡频率为 0.8，纵向发射度为 0.072 π m-rad，确保加速过程中的相位稳定性。
• 在距离束流 2700 米处站立的人员，每年接收的剂量为 1 毫雷姆，相当于每周食用两根香蕉，低于联邦暴露限值。