SRF の新たな地平: HL を超えて

超電導高周波 (SRF) 技術とアプリケーションの革新は、高輝度 LHC (HL-LHC) プロジェクトとそれに続く次世代粒子衝突器の成功の基礎です。 CERN の RF グループのリーダーである Frank Gerigk 氏は、SRF 研究開発ロードマップの進捗状況と、すでに明らかになっている厳しい製造要件と性能要件を評価しています。

CERN の超電導高周波 (SRF) 技術への取り組みは長く遡り、インフラストラクチャ、応用研究開発、デバイスおよびシステム レベルのイノベーション、学術および業界パートナーとの国際協力への 40 年以上にわたる継続的な投資に及びます。 しかし、それが見出しだとしたら、CERN の SRF プログラムは次に何をするのでしょうか?

長期的な研究開発とイノベーションのロードマップを明らかにする前に、現時点で CERN の SRF の成果を要約することが有益です。 まず、素粒子物理学、原子核物理学、材料科学におけるフロンティア加速器の主力技術である SRF 空洞は、CERN の大型電子陽電子 (LEP) 衝突型加速器を新しいエネルギー領域に押し上げるのに役立ちました。 1990 年代後半を通じて、合計 288 個の SRF 空洞（それぞれが銅の空洞上にスパッタリングされた超電導ニオブの薄膜で構成）が LEP-II に設置され、最大 7 MV/m の加速勾配を提供し、機械が最終的に加速勾配に達することを可能にしました。質量中心エネルギーは 209 GeV (元の LEP マシンの 91 GeV に対して)。 2000 年代の初めには、LEP-II は世界中で最も強力な SRF 設備でした。

2010 年に早送りすると、CERN の放射性ビーム施設の「高強度およびエネルギー」アップグレードである HIE-ISOLDE プロジェクトが登場し、SRF プログラムへのさらなる投資が可能になりました。 運用面では、HIE-ISOLDE は、超伝導ポスト加速器の構築を通じて ISOLDE の放射性核種ビームのエネルギーを 3 MeV/u から 10 MeV/u まで増加させることを目的としており、バルク加速器の設計、加工、テストが必要でした。ニオブ SRF キャビティと薄膜ニオブ銅 SRF キャビティのコーティング性能の向上。

CERN のエンジニアは、この技術を産業界に展開する前に、HIE-ISOLDE 用の 100 MHz コーティングされた 4 分の 1 波長共振器の完全なプロトタイプを正式に開発しました。 しかしその後、外部委託されたキャビティのいくつかは、高い表面電流が流れるキャビティ領域の溶接シームに関連して、性能の限界を示しました。 この問題に対処するために、CERN の RF チームは、薄膜 SRF キャビティの性能限界を押し上げる上で重要であることが判明した革新的な回避策を考案しました。

簡単に言えば、HIE-ISOLDE キャビティは、溶接のない単一の銅から機械加工できるように再設計されました。 ニオブでコーティングし、2017 年にその後のテストを行った後、新しい外観のキャビティは、2.3 K で 60 MV/m を超える前例のない表面ピーク電界と 109 の Q 値をもたらしました。これらの性能数値は、認定目標である約 30 MV を大幅に上回っています。 /m (Q = 5 × 108) – シームレス銅基板上の薄膜キャビティに関するさらなる研究開発の明確な方向性を示し、後に HIE-ISOLDE アップグレードの一部として 4 つのクライオモジュール (それぞれに 5 つの SRF キャビティを含む) が設置されました。 重要なのは、銅上の薄膜ニオブを使用した「量産」キャビティがバルクニオブキャビティと同等の結果をもたらしたのもこれが初めてであり、その性能は共同の研究開発努力の結果、過去10年間で急速な進歩を遂げていた。国際リニアコライダー（ILC）に向けたものです。

現在、SRF 技術ロードマップの最前線および中心は HL-LHC プロジェクトです。これは、積分光度を LHC の設計値を超えて 10 倍増加させ、そうすることで基本的な光の新たな機会を開くという野心的な取り組みです。 2030年以降の物理学。 HL-LHCは、一度動作すると、超伝導バルクニオブの「クラブキャビティ」を使用して、粒子相互作用点でのバンチ交差を最適化し、それによって陽子と陽子の衝突の光度を増加させ、「平準化」します。 これは、衝突前にパーティクルの束をわずかに回転させ、相互作用後にパーティクルの束を元の方向に戻すことによって実現されます (「クラフトされた衝突」を参照)。