[论文解读] The Cornell-BNL FFAG-ERL Test Accelerator: White Paper

Ivan Bazarov, John Dobbins+21 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2015

Photocathodes and Microchannel Plates参考文献 6被引用 5

一句话总结

康奈尔-布鲁克黑文NS-FFAG-ERL测试加速器（Cβ）提出了一种基于非标度固定场交替梯度（NS-FFAG）晶格的新型能量恢复直线加速器（ERL），可实现电子束通过单个超导射频直线加速器的多次通过。这种紧凑且成本效益高的设计验证了FFAG-ERL概念在未来的高亮度电子束应用中的可行性，包括eRHIC、暗物质探测以及工业自由电子激光器。

ABSTRACT

The Cornell-BNL FFAG-ERL Test Accelerator (C$β$) will comprise the first ever Energy Recovery Linac (ERL) based on a Fixed Field Alternating Gradient (FFAG) lattice. In particular, we plan to use a Non Scaling FFAG (NS-FFAG) lattice that is very compact and thus space- and cost- effective, enabling multiple passes of the electron beam in a single recirculation beam line, using the superconducting RF (SRF) linac multiple times. The FFAG-ERL moves the cost optimized linac and recirculation lattice to a dramatically better optimum. The prime accelerator science motivation for C$β$ is proving that the FFAG-ERL concept works. This is an important milestone for the Brookhaven National Laboratory (BNL) plans to build a major Nuclear Physics facility, eRHIC, based on producing 21 GeV electron beams to collide with the RHIC ion beams. A consequence of the C$β$ work would be the availability of significantly better, cost-effective, compact CW high-brightness electron beams for a plethora of scientific investigations and applications, such as X-ray sources, dark-matter and dark-energy searches, and industrial high-power Free-Electron Laser (FEL) applications. C$β$ brings together the resources and expertise of a large DOE National Laboratory, BNL, and a leading research university, Cornell. C$β$ will be built in an existing building at Cornell, for the most part using components that have been developed under previous R&D programs, including a fully commissioned world-leading photoemission electron injector, a large SRF accelerator module, and a high-power beam stop. The only elements that require design and construction from scratch is the FFAG magnet transport lattice. This white paper describes a project that promises to propel high-power, high-brightness electron beam science and applications to an exciting new level.

研究动机与目标

• 证明非标度FFAG晶格在能量恢复直线加速器（ERL）中的可行性，这是未来eRHIC核物理设施的关键创新。
• 验证NS-FFAG光学与超导射频（SRF）直线加速器的集成，实现多次电子束通过，从而减小尺寸和成本。
• 开发并测试用于多束ERL构型中高亮度、高功率连续波（CW）电子束的先进诊断与仪器技术。
• 通过高亮度、窄线宽伽马射线和束流稳定性，推动核物理、材料科学和工业自由电子激光器的新应用。
• 建立国家实验室与大学之间的协作模式，实现下一代加速器技术的低成本、快速原型开发。

提出的方法

• 利用康奈尔现有的世界级光电发射电子注入器和SRF直线加速器低温模块，最大限度减少新硬件开发。
• 实施非标度FFAG（NS-FFAG）晶格，采用双层束流弯道结构，实现通过单个SRF直线加速器的八次通过（四次加速，四次减速）。
• 在三种模式下运行ERL：调试模式（0.1 nC/束团）、连续波（CW）物理运行模式（0.1–1.0 nC/束团）以及专用实验模式（≤5 nC/束团）。
• 采用1300 MHz射频系统，周期为0.7692 ns，并利用第279次回旋谐波实现束流相位同步，避免束团重叠。
• 采用EPICS控制系统，实现跨所有子系统的可扩展、实时监控与自动化，包括束流诊断与仪器系统。
• 实施高带宽诊断技术，包括高时间分辨率的束流位置监测器（BPM）和离子清除机制，以研究FFAG单元中的束流动力学与不稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 非标度FFAG晶格是否能成功支持高亮度电子束在超导ERL中的多次通过，而不会引发束流破裂或不稳定性？
• RQ2 在具有能量恢复的多束NS-FFAG晶格中，束流动力学与发射度增长特性如何，特别是在高电流和高能条件下？
• RQ3 如何有效部署高带宽诊断与仪器技术，以监测FFAG晶格中多个能量状态下的束流参数（位置、能量、尺寸、损失）？
• RQ4 NS-FFAG-ERL构型在多大程度上可减小未来高功率电子加速器的尺寸与成本，相比传统设计？
• RQ5 该原型能否实现稳定、长时间连续波运行，且束流参数适用于康普顿散射和FEL等应用？

主要发现

• Cβ设计的加速器周长为64.34 m，回旋周期为214.6 ns，使用第279次谐波，实现了单个射频周期内一次加速与一次减速束团的稳定多束通过。
• NS-FFAG晶格使电子束通过单个SRF直线加速器实现四次加速与四次减速通过，每次通过获得70 MeV能量增益，并实现从76至286 MeV的7序列能量爬升。
• 束流发射度保持在2 μm-rms（在1 nC时），典型束流尺寸为50 μm（范围20–80 μm），表明束流质量优异，适用于精密实验。
• 注入器与SRF低温模块已在康奈尔完成调试并投入使用，降低了项目风险与开发周期。
• 基于EPICS的控制系统支持可扩展、实时监控与自动化，覆盖所有运行模式与诊断功能。
• 仪器原型开发目标包括高时间分辨率BPM、离子清除机制以及FFAG单元中束流尺寸测量的高带宽诊断技术，这些均对eRHIC的准备就绪至关重要。