[論文レビュー] A study of RHIC crystal collimation

D. Trbojević, Biryukov, V. M.+6 more|ArXiv.org|Nov 7, 2001

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 7被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、RHICの主コリメーターの上流に湾曲したシリコン単結晶を設置することで、重イオンのビームコリメーション効率を向上させる手法を提案している。高振幅粒子を結晶誘導による偏光によって制御することで、ジャムの正確な位置合わせに依存する必要を減らし、重要断面でのビーム損失を低減する。コリメーターを5σに設定した場合、リング損失は99.43%削減され、標準的なコリメーションと比較して検出器のバックグラウンドが著しく低減される。

ABSTRACT

The Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) will experience increasing longitudinal and transverse heavy ion emittances, mostly due to intra-beam scattering (IBS). The experiments in RHIC are expected to not only have reduced luminosities due to IBS but also an unwanted beam halo. Primary betatron collimators will be used to remove the large amplitude particles. The efficiency of the primary collimator in RHIC depends very much on the alignment of the jaws which needs to be within few micro-radians for the best conditions. As proposed by V. Biryukov bent crystals could be used to improve the efficiency of an existing collimation system by installing them upstream of the collimator jaws. Bent crystals have been successfully used in SPS, Protvino and Fermilab for extraction of the beam particles channeled through them. This study examines possible improvements of the primary collimator system for heavy ions at RHIC by use of bent crystals. Bent crystals will reduce the collimator jaws alignment requirement and will increase collimator efficiency thereby reducing detector background.

研究の動機と目的

• ビームの発散度とハロー形成の増加を、入束内散乱（IBS）その他の要因によって引き起こすRHICにおける課題に対処するため。
• 高β四重子磁石におけるビーム損失によって引き起こされるPHENIXおよびSTAR検出器のバックグラウンドを低減するため。
• 正確なジャム位置合わせに依存するのをやめ、湾曲結晶による偏光によってコリメーション効率を向上させるため。
• 重イオンの主コリメーション補助として湾曲単結晶を用いる実現可能性を評価するため。

提案手法

• 195,288個の金-197イオン（γ = 108.4）を、1 cm、1 mradの湾曲シリコン（110）結晶を通過させるシミュレーション。
• SPS-CERNのデータから得た位相空間分布を用い、5σxを超える拡散誘導による振幅増大をモデル化。
• 結晶の直後7.68 m下流に主コリメーターを配置し、RHICリグの内部を粒子を追跡。
• トリプレット磁石（β* = 1–2 m）を含むリングの主要な損失地点での損失を評価し、標準的コリメーションと結晶補助方式を比較。
• 結晶出口後の水平位相空間における粒子の傾きと位置を分析することで、偏光効率を評価。
• 完全なマルチターン追跡ではなく、単一通過シミュレーションを実施。将来的なマルチターン解析の計画あり。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 湾曲結晶は、RHICにおける高振幅重イオンを効果的に偏光させ、主コリメーターのジャムの正確な位置合わせの必要性を低減できるか？
• RQ2 結晶補助コリメーションは、標準的な二段階コリメーションと比較して、リング損失分布にどのような違いをもたらすか？
• RQ3 結晶偏光は、高断面積制限のある四重子磁石付近のビーム損失地点にどのような影響を及ぼすか？
• RQ4 結晶コリメーションは、PHENIXおよびSTAR検出器におけるバックグラウンドをどの程度低減できるか？

主な発見

• 主コリメーターを5σxに設定した場合、結晶コリメーション方式ではリング損失が0.00%に低下したのに対し、標準的コリメーションでは5.10%であった。
• コリメーターを開放した状態で、結晶補助コリメーションでは合計リング損失が2.66%に低下したが、標準的ケースでは12.11%であった。
• 偏光された粒子の大部分は、平均して約1 mradの偏光角を示した。入射粒子と偏光された粒子の傾きの差がこれにより示された。
• 位相空間傾きが-1.15 mradを超える粒子は偏光されず、特に最初の下流四重子磁石および高β領域で損失に寄与した。
• インジェクション領域（IR）付近の高焦点四重子磁石における損失は顕著に低減され、これが直接的に検出器バックグラウンドの低減に寄与した。
• シミュレーションにより、湾曲結晶が効果的にプリコリメーターとして機能し、主コリメーターをより効率的な二次コリメーターに変換できることが示された。