[論文レビュー] Application of bent crystals at IHEP 70-GeV accelerator to enhance the efficiency of its usage

V.I. Kotov, A. G. Afonin+14 more|ArXiv.org|Oct 31, 2001

Crystallography and Radiation Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、IHEPの70-GeV U-70加速器で、湾曲したシリコン結晶を用いて高効率でマルチターンビーム抽出を実現したことを示している。3-mm、0.9 mrad湾曲結晶を用いて、1回の供給で最大4×10¹¹個の陽子を抽出し、抽出効率は65%に達した。27日間の照射期間（10²⁰プロトン/cm²）にわたり、結晶性能に著しい劣化は認められず、4つの実験（K±メソン崩壊研究や二次ビーム生成を含む）を同時に実施可能であった。

ABSTRACT

Bent crystal was extracting 70-GeV protons with average intensity 4*10^11 (as measured in external beamline) per spill of 1.6 s duration, in parallel to the simultaneous work of two internal targets in the accelerator ring. An additional crystal, placed in the external beamline, was deflecting a small part of the extracted beam with intensity 10^7 protons toward another physics experiment. Crystal-extracted beam had a typical size of 4 mm by 4 mm fwhm at the end of the external beamline. Measurements for the extraction efficiency and other characteristics at the simultaneous work of four experimental set-ups are presented. With crystal working in the above-said regime during one month, no degradation of channeling was observed. The studies of extraction efficiency have been continued with new crystals.

研究の動機と目的

• IHEPの70-GeV加速器において、湾曲シリコン結晶を用いた高効率でマルチターンビーム抽出手法の開発および実証を行う。
• 内部標的に併用しながら、湾曲結晶によるビーム抽出を用いて複数の物理学実験を同時に実行可能とする。
• 実加速器環境下での高強度照射条件下における湾曲結晶の長期的安定性および性能を評価する。
• より短く、より強く湾曲した結晶を用いることで、抽出効率をさらに向上させる可能性を検討する。

提案手法

• U-70加速器リングの直線部19番および106番に、湾曲角度0.5–2 mradの湾曲シリコン結晶を設置した。
• 閉ループ制御による局所的ビーム軌道歪み制御系を用いて、ビームを結晶に正確に誘導した。
• セプタ磁石（OM-20およびOM-24）を用いて結晶によって偏光されたビームを捕捉した。それぞれの遮断厚さは8 mmおよび2.5 mmであった。
• 二次結晶（Si30、約9 mrad湾曲）を用いて、わずかに（約10⁷個/サイクル）のプロトンを別々のビームラインに deflect して追加実験を実施した。
• 抽出効率は、結晶に照射されたビーム分率と抽出された強度を比較することで測定した。測定精度は約4%であった。
• 結晶性能は、繰り返し効率測定およびビームサイズの特徴付け（ビームライン終端部で4 mm × 4 mm FWHM）を用いて27日間にわたりモニタリングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 70-GeV陽子加速器において、湾曲シリコン結晶を用いた場合の最大ビーム抽出効率はどの程度か？
• RQ2 湾曲結晶は、性能劣化を伴わずに複数の実験に同時にビーム抽出を可能にするか？
• RQ3 高強度ビーム照射下で長時間にわたり、湾曲結晶のチャネリング特性はどの程度安定しているか？
• RQ4 より短く、より強く湾曲した結晶を用いることで、現在の値を超える抽出効率を達成できるか？

主な発見

• 3-mm、0.9 mrad湾曲結晶は、結晶に照射されたビームの20%に対して65%の抽出効率を達成した。
• 5-mm、1.5 mrad湾曲結晶は、同じビーム分率下で42%の抽出効率を達成した。
• 27日間の期間にわたり、Si19結晶は約10²⁰プロトン/cm²の照射線量に耐え、抽出効率に測定可能な劣化は認められなかった（初期値44±2%、最終値43±2%）。
• 抽出ビームは、外部ビームライン終端部で典型的に4 mm × 4 mm FWHMのサイズを示し、後続実験に適していた。
• シミュレーションにより、最適化された湾曲プロファイルを持つ短い結晶（例：1 mm以下）を用いることで、さらなる抽出効率向上が可能であると示唆された。
• 本システムにより、2つの内部標的（IT24、IT27）および2つの外部ビームライン（22、23）の4つの実験が同時に実行可能となった。K±メソン崩壊研究を含む。