[論文レビュー] Energy Deposition along The Helical Undulator at ILC-250GeV

Khaled Alharbi, Sabine Riemann+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 8被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ILC-250GeV陽電子源の超伝導ヘリカルウインドレーターにおけるシンクロトロン放射線誘発のエネルギー堆積を、解析的手法およびHUSRシミュレーションを用いて分析した。4.4 mmの開口を持つ光子マスクを14.538 m間隔で配置することで、壁面へのピークエネルギー堆積を18.5 W/mから0.022 W/mに低減し、1 W/mの安全基準を満たすことを示した。

ABSTRACT

The positron source of the International Linear Collider is based on a superconducting helical undulator passed by the high-energy electron beam to generate photons which hit a conversion target. Since the photons are circularly polarized the resulting positron beam is polarized. At ILC250, the full undulator is needed to produce the required number of positrons. To keep the power deposition in the undulator walls below the acceptable limit of 1W/m, photon masks must be inserted in the undulator line. The photon mask design requires a detailed study of the power deposition in the walls and masks. This paper describes the power deposition in the undulator wall due to synchrotron radiation.

研究の動機と目的

• 相対論的電子ビーム通過に起因するウインドレーター壁面におけるシンクロトロン放射線のエネルギー堆積を定量すること。
• 壁面エネルギー堆積を1 W/mの安全基準以下に低減するために光子マスクを用いる可能性を評価すること。
• 最適な材料選定および幾何形状設計を実現するため、マスクに到達する光子エネルギーおよびフラックス分布を特定すること。
• 理想的なウインドレーター条件下での解析的計算とHUSRシミュレーション結果の正確性を比較すること。
• 非理想的なウインドレーター効果および部分的光子吸収を考慮した将来的な研究の基盤を構築すること。

提案手法

• 相対論的シンクロトロン放射線理論に基づくヘリカルウインドレーター放射の角度別エネルギー分布の解析的式を用いた。
• HUSR C++コードを用いて光子スペクトルおよびエネルギー堆積をシミュレートし、解析的計算結果と照合した。
• K=0.85、周期11.5 mm、各1.75 mの長さを有する132個のウインドレーター素子を通過する128 GeV電子ビームを追跡した。
• 全モジュールのエネルギー堆積を解析的に計算し、最初のモジュールについてHUSRシミュレーション結果と比較した。
• 四極磁石の後方14.538 m間隔に4.4 mm開口を持つ光子マスクを配置し、ウインドレーター壁面を遮蔽するモデルを構築した。
• 最後のマスクにおける半径方向のエネルギー堆積分布およびエネルギースペクトルを分析し、材料選定および遮蔽設計に反映した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最初のウインドレーター・モジュールおよび全長231 mのウインドレーターから生じる壁面におけるピークエネルギー堆積はどの程度か？
• RQ2 4.4 mmの光子マスクは、壁面エネルギー堆積を1 W/m未満に低減させるのにどの程度有効か？
• RQ3 最後の光子マスクに到達する光子のエネルギースペクトルおよび半径方向エネルギー堆積分布はどのようなものか？
• RQ4 ウインドレーター壁面におけるエネルギー堆積に関して、解析的計算とHUSRシミュレーション結果はどの程度一致するか？
• RQ5 非理想的なウインドレーター定数および部分的光子吸収の影響は、マスク設計にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 最初のウインドレーター・モジュールからのピークエネルギー堆積は約1.10 W/mである。
• 132個の全モジュールからの総エネルギー堆積は、マスクなしでは18.5 W/mに達する。
• 4.4 mm開口を持つ光子マスクを用いることで、ピーク壁面エネルギー堆積は0.022 W/mに低減される。
• 最後のマスクに到達する最大光子エネルギーは11 MeVに達し、平均は1.93 MeVである。
• 最後のマスクにおける半径方向エネルギー堆積は2.2 mm半径でピークを示し、2.925 mmに近づくにつれて著しく低下する。
• 最後の光子マスクに到達する全入射エネルギーは約335 Wであり、耐熱的・放射線的遮蔽設計が求められる。