[论文解读] The Advanced Superconducting Test Accelerator (ASTA) at Fermilab: A User-Driven Facility Dedicated to Accelerator Science \\& Technology

P. Piot|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2022

Particle accelerators and beam dynamics被引用 6

一句话总结

费米国家加速器实验室的ASTA设施是一个用户驱动的超导电子直线加速器，旨在通过高亮度、高重复频率束流推动加速器科学的发展。该设施集成了光电注入器、SRF低温模组和储能环，支持束流动力学、辐射源及SRF技术方面的实验，具备关键能力：能量达GeV量级、峰值电流高达10 kA，以及先进的相空间调控用于前沿研发。

ABSTRACT

Fermilab is currently constructing a superconducting electron linac that will eventually serve as the backbone of a user-driven facility for accelerator science. This contribution describes the accelerator and summarizes the enabled research thrusts. A detailed description of the facility can be found at [\url{http://apc.fnal.gov/programs2/ASTA_TEMP/index.shtml}].

研究动机与目标

• 建立一个面向束流动力学、辐射源及SRF技术的先进加速器研发用户设施。
• 通过受控的高重复频率电子束，解决束流强度与亮度的根本限制。
• 为SRF加速器组件和束流诊断技术提供真实运行条件下的测试平台。
• 实现新型束流调控实验，包括发射度控制与相空间交换。
• 支持下一代光源与粒子加速器的研发，服务于高能物理及其他领域。

提出的方法

• 采用1.3-GHz超导射频光电注入器，配备Cs2Te光阴极与波长为263 nm的紫外激光，以3 MHz重复频率产生电子束团。
• 利用两台TESLA型SRF腔（CAV1、CAV2）将束流加速至约50 MeV，随后通过四弯磁压缩啁啾器（BC1）实现束团压缩。
• 集成第三次谐波腔（CAV39，3.9 GHz）以线性化纵向相空间，实现峰值电流高达约10 kA。
• 配备12米长的SRF直线加速器，包含三个低温模组（CM1–CM3），其中采用ILC型IV设计，可提供最高约800 MeV的束流能量。
• 包含一个圆到扁束流变换器（RTFB）用于横向发射度调控，以及一条用于诊断技术研发的束流分支。
• 集成一个小型周长储能环，用于基于环的束流动力学实验，包括空间电荷补偿与相空间交换。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何生成并调控高亮度、高重复频率电子束，以支持先进加速器研发？
• RQ2 SRF低温模组在高强度束流运行下的性能极限是什么？如何加以缓解？
• RQ3 相空间交换技术能否实现面向未来FEL与对撞机的新颖束流整形与发射度分配？
• RQ4 利用高亮度束流实现逆康普顿散射γ射线源的可行性与性能表现如何？
• RQ5 基于束流的反馈系统如何稳定SRF直线加速器以实现高平均功率运行？

主要发现

• 当CAV39正常运行时，ASTA可提供最高800 MeV能量、3.2 nC束团电荷量、峰值电流约10 kA的电子束。
• 未经压缩的束流具有约2.11 μm的归一化横向发射度与约30.05 μm的纵向发射度，其随电荷量变化的关系为ε⊥ ∝ Q^0.69 和 ε|| ∝ Q^0.84。
• 使用CAV39可实现纵向相空间的线性化，使峰值电流超过10 kA，而无CAV39时的标称值约为3 kA。
• 首个低温模组（CM1）已在ASTA设施中成功测试，验证了关键设计与运行参数。
• 储能环支持基于环的空间电荷补偿、光学随机冷却及先进相空间调控实验。
• ASTA支持多种应用，包括通过晶格通道产生高光谱亮度X射线、通过逆康普顿散射产生窄带γ射线，以及产生阿秒量级的VUV脉冲。