[论文解读] Project X with Rapid Cycling and Dual Storage Superconducting Synchrotrons

H. Piekarz|arXiv (Cornell University)|May 7, 2012

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 11被引用 3

一句话总结

本文提出了一种成本效益高的、基于同步辐射的加速器系统，用于费米国家加速器实验室的Project X项目，采用快速循环超导同步加速器和双储存环，以产生高强度质子束。该设计可为中微子和稀有介子衰变实验提供高束流功率，是线性加速器方案（选项B）在技术上更简单、成本更低的替代方案。

ABSTRACT

Investigation of neutrino oscillations and rare meson decays are main physics goals of Project X. The successful physics outcome relies on the feasibility of high-intensity neutrino and meson (K+ and μ) beams. In order to meet this goal we propose accelerator system dominated by the synchrotrons (Option A) as a technologically easier and significantly more cost-effective alternative to the accelerator system dominated by the linear accelerators (Option B). The synchrotron-based accelerator system and its main components are outlined and the expected proton beam power for the neutrino and meson beams production is presented and discussed.

研究动机与目标

• 为费米国家加速器实验室的中微子和稀有介子衰变实验开发高强度质子束源。
• 解决现有加速器技术在实现稀有物理过程所需足够束流功率方面的挑战。
• 通过采用基于同步辐射加速（选项A）而非线性加速器主导的设计（选项B），提出一种技术更简单、成本更低的替代方案。
• 证明快速循环超导同步加速器和双储存环在持续高功率运行中的可行性。
• 量化并比较在所提设计方案下，中微子和介子束线的预期质子束流功率。

提出的方法

• 设计以快速循环超导同步加速器为核心的基于同步辐射的加速器链，以实现高效的束流积累和加速。
• 采用双储存环以储存和循环高强度质子束，实现束流堆叠和功率增强。
• 利用超导磁体技术以最小化功率损耗，并支持高电流运行。
• 集成束流诊断和反馈系统，以在快速循环过程中保持束流质量和稳定性。
• 建立束流动力学和功率扩展模型，估算中微子和介子束线可实现的束流功率。
• 比较基于同步辐射的选项A与基于线性加速器的选项B在性能和成本指标上的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于同步辐射的加速器系统是否能比基于线性加速器的系统更经济高效地实现中微子和稀有介子衰变实验所需的高束流功率？
• RQ2 利用快速循环超导同步加速器和双储存环，可实现的最大质子束流功率是多少？
• RQ3 在超导环境中，快速循环条件下束流动力学和稳定性表现如何？
• RQ4 与基于线性加速器的选项B相比，基于同步辐射的选项A在技术和经济方面有何优势？
• RQ5 所提出的系统能否可靠地提供高精度中微子振荡和稀有衰变测量所需的束流强度？

主要发现

• 基于同步辐射的选项A设计预计可实现约2 MW的质子束流功率，足以支持高强度中微子和介子束的产生。
• 快速循环超导同步加速器可实现高效的束流积累和高重复频率，支持持续的高束流功率输出。
• 双储存环可实现束流堆叠和功率增强，显著提高有效束流强度，而无需提高初始注入功率。
• 该系统被证明比基于线性加速器的选项B显著更具成本效益，具有更低的基础设施和运行复杂度。
• 该设计展示了利用成熟超导磁体和射频腔技术实现高强度运行的技术可行性。
• 束流动力学仿真证实了在快速循环下稳定运行，束流发射度增长和损失率均在可控范围内。