[論文レビュー] New methods of particle collimation in colliders

G. Stancari|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2011

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、高パワー粒子加速器向けに、磁場で閉じ込められたパルス状の5 keV電子ビームを用いて、コアビームに影響を与えずにハロ粒子を横方向にキックする新規のハロー電子ビームコリメーター（HEBC）を提案する。フェルミラブのテバトロンで実験された結果、散乱率が10倍に向上し、ハロ粒子の人口が約10倍減少し、ビームジッターに起因する損失スパイクが抑制された。これは、従来のシステムを超えるチューナブルでソフトなコリメーションツールとしての実用性を示している。

ABSTRACT

The collimation system is an essential part of the design of any high-power accelerator. Its functions include protection of components from accidental and intentional energy deposition, reduction of backgrounds, and beam diagnostics. Conventional multi-stage systems based on scatterers and absorbers offer robust shielding and efficient collection of losses. Two complementary concepts have been proposed to address some of the limitations of conventional systems: channeling and volume reflection in bent crystals and collimation with hollow electron beams. The main focus of this paper is the hollow electron beam collimator, a novel concept based on the interaction of the circulating beam with a 5-keV, magnetically confined, pulsed hollow electron beam in a 2-m-long section of the ring. The electrons enclose the circulating beam, kicking halo particles transversely and leaving the beam core unperturbed. By acting as tunable diffusion enhancer and not as a hard aperture limitation, the hollow electron beam collimator extends conventional collimation systems beyond the intensity limits imposed by tolerable losses. The concept was tested experimentally at the Fermilab Tevatron proton-antiproton collider. Results on the collimation of 980-GeV antiprotons are presented, together with prospects for the future.

研究の動機と目的

• 従来のコリメーションシステムの限界、例えばセットアップ時のビーム損失、ウェイクフィールド効果、ビームジッターへの感受性を解消すること。
• ハードアパーチャーの制約なしに、ハロビーム粒子の散乱を強化するチューナブルで非破壊的なコリメーション手法を開発すること。
• ハロー電子ビームコリメーター（HEBC）が高パワー加速器における従来のコリメーションと補完的になれるかを実験的に検証すること。
• HEBC技術が将来のコライダー、特にLHCへの応用可能性を評価すること。
• 実際のビーム条件下でのHEBCの散乱率、コリメーション効率、損失スパイク抑制への影響を測定すること。

提案手法

• 2メートルのリング区間で、循環ビームのハロと重ね合わせた磁場で閉じ込められたパルス状のハロー電子ビーム（5 keV、ピークで約0.9 A）を用いる。
• 電子ビームが横方向の電場および磁場を生成し、ハロ粒子に制御されたキックを加えることで、コアビームに影響を与えずにその振幅を増大させる。
• このシステムはハードアパーチャーではなく「散乱増強装置」として機能し、ハロ粒子が二次コリメーターで損失される速度を高める。
• HEBCはビームバッチ列と同期され、特定のビーム位置に合わせて調整され、制御可能で再現可能な測定が可能になる。
• 損失は二次コリメーター付近のゲート付きシンチレーター・パドルでモニタリングされ、同時に散乱率、コリメーション効率、損失スパイクを測定可能である。
• 損失データのフーリエ解析と相関解析を用いて、ビームジッターに起因する周期的損失バーストを同定・抑制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハロー電子ビームは、コアビームに影響を与えずにハロビーム粒子の散乱を効果的に増大させることができるか？
• RQ2 従来のコリメーションと比較して、HEBCはどれほどハロビーム粒子の人口を低減するか？
• RQ3 HEBCは高強度コライダーにおけるビームジッターに起因する損失スパイクをどのように緩和するか？
• RQ4 HEBCはビーム分布の異なる領域に選択的に影響を与えるようにチューニング可能か？
• RQ5 機械的振動に起因する損失イベントの相関構造に、HEBCがどのような影響を与えるか？

主な発見

• ハロー電子ビームにより、ハロ粒子の散乱率がコントロールバッチ列と比較して10倍に向上した。
• ハロ粒子の人口は約10倍減少し、これは増加した散乱にもかかわらず定常状態の損失率が10%上昇したという事実から示された。
• コリメーターのセットアップに起因する損失スパイクは顕著に減少し、外側のジャービアム移動中にはスパイクの代わりに低下が観察された。
• ビームジッターに起因する周期的損失バースト（例：0.3 Hzおよび4.6 Hz）は、影響を受けるバッチ列で抑制された。
• 相関解析により、HEBCにより損失のフラクチュエーションがランダム化されたことが示され、一貫したビームジッターへの感受性が低下した。
• HEBCは、ピーク損失を低減し、高パワー加速器における運用安定性を向上させるソフトでチューナブルなコリメーションメカニズムとしての有効性を示した。