SRF의 새로운 지평: HL을 넘어

초전도 무선 주파수(SRF) 기술 및 응용 분야의 혁신은 고광도 LHC(HL-LHC) 프로젝트와 후속 차세대 입자 충돌기의 성공을 위한 기본입니다. CERN RF 그룹의 리더인 Frank Gerigk는 SRF R&D 로드맵의 진행 상황과 이미 확인되고 있는 정확한 제조 및 성능 요구 사항을 평가합니다.

초전도 무선 주파수(SRF) 기술에 대한 CERN의 헌신은 인프라, 응용 R&D, 장치 및 시스템 수준 혁신, 학계 및 업계 파트너와의 국제 협력에 대한 40년 이상의 지속적인 투자를 통해 먼 길을 걸어왔습니다. 하지만 이것이 헤드라인이라면 CERN의 SRF 프로그램의 다음 단계는 무엇입니까?

장기적인 R&D 및 혁신 로드맵을 풀기 전 현 시점에서 CERN의 SRF 성과를 요약해 보는 것은 유익합니다. 우선, 입자물리학, 핵물리학, 재료과학 분야의 최전선 가속기를 위한 주력 기술인 SRF 공동은 CERN의 LEP(대형 전자 양전자 충돌기) 충돌기를 새로운 에너지 체제로 추진하는 데 중요한 역할을 했습니다. 1990년대 후반까지 총 288개의 SRF 공동(각 공동은 구리 공동에 스퍼터링된 초전도 니오븀의 얇은 막으로 구성됨)이 LEP-II에 설치되어 최대 7MV/m의 가속 기울기를 제공하고 기계가 결국 도달할 수 있도록 했습니다. 질량 중심 에너지는 209 GeV(원래 LEP 시스템의 경우 91 GeV)입니다. 새천년이 시작될 때 LEP-II는 전 세계적으로 가장 강력한 SRF 설치였습니다.

2010년에 HIE-ISOLDE 프로젝트의 출현으로 CERN의 방사성 빔 시설에 대한 "고강도 및 에너지" 업그레이드가 이루어지면서 SRF 프로그램에 대한 추가 투자가 가능해졌습니다. 운영상 HIE-ISODE는 초전도 후가속기의 건설을 통해 ISOLDE의 방사성 핵종 빔의 에너지를 3MeV/u에서 10MeV/u로 증가시키는 것에 관한 것이었습니다. 니오븀 SRF 캐비티와 함께 ​​박막 니오븀-구리 SRF 캐비티에 대한 향상된 코팅 성능을 제공합니다.

CERN 엔지니어들은 이 기술을 산업계에 적용하기 전에 HIE-ISOLDE용 100MHz 코팅 쿼터파 공동의 전체 프로토타입을 정식으로 개발했습니다. 그러나 결과적으로 아웃소싱된 캐비티 중 일부는 표면 전류가 높은 캐비티 영역의 용접 이음새와 관련하여 성능 제한을 나타냈습니다. 이 문제를 해결하기 위해 CERN의 RF 팀은 박막 SRF 공동의 성능 범위를 확장하는 데 중요한 것으로 입증된 혁신적인 해결 방법을 생각해 냈습니다.

간단히 말해서, HIE-ISOLDE 캐비티는 용접 없이 단일 구리 조각으로 가공할 수 있는 방식으로 재설계되었습니다. 2017년에 니오븀 코팅과 후속 테스트를 거친 후 새로운 모습의 캐비티는 60MV/m 이상의 전례 없는 표면 피크 필드와 2.3K에서 109의 Q 값을 생성했습니다. 이러한 성능 수치는 인증 목표인 약 30MV를 훨씬 초과합니다. /m (Q = 5 × 108) – 나중에 HIE-ISOLDE 업그레이드의 일부로 설치된 4개의 극저온 모듈(각각 5개의 SRF 공동 포함)을 사용하여 이음매 없는 구리 기판의 박막 공동에 대한 추가 R&D에 대한 명확한 방향을 제시했습니다. 중요한 것은 구리에 박막 니오븀을 사용하는 "생산" 캐비티가 집단적 R&D 노력의 결과로 지난 10년 동안 성능이 급속히 발전한 벌크 니오븀 캐비티와 비슷한 결과를 제공한 최초의 사례이기도 합니다. 국제 선형 충돌기(ILC)에 맞춰져 있습니다.

현재 SRF 기술 로드맵의 중심에는 HL-LHC 프로젝트가 있습니다. 이 프로젝트는 통합 광도를 LHC의 설계 가치보다 10배 증가시키고 이를 통해 근본적인 기술의 새로운 기회를 열겠다는 야심 찬 사업입니다. 2030년부터 물리학. 일단 작동되면 HL-LHC는 초전도 벌크-니오븀 "게 공동"을 사용하여 입자 상호 작용 지점에서 다발 교차를 최적화하여 양성자-양성자 충돌의 광도를 높이고 "평준화"합니다. 이는 충돌 전에 입자 다발을 약간 회전시킨 다음 상호 작용 후에 원래 방향으로 되돌림으로써 달성됩니다("만든 충돌" 참조).