[論文レビュー] On Field Emission in High Energy Colliders Initiated by a Relativistic Positively Charged Bunch of Particles

B. B. Levchenko|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2006

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 67被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、LHC や ILC における高エネルギー加速器の導体表面からの場発光を分析している。相対論的高速の陽電子および陽子ビーム束によって引き起こされるものであり、修正されたフォウラー＝ノルデイム理論を用いて、特にコンactコリメータ構造において電子発光が電子雲形成において支配的になることが示されている。場発光出力が高くなる（例：β_FN > 300）、またはビームパラメータが極端になる（例：LHC-0/1シナリオ）場合には、ビーム損失や装置損傷のリスクが生じる。

ABSTRACT

The design of the LHC and future colliders aims their operation with high intensity beams, with bunch population, $N_p$, of the order of $10^{11}$. This is dictated by a desire to study very rare processes with maximum data sample. HEP colliders are engineering structures of many kilometers in length, whose transverse compactness is achieved by the application of the superconducting technologies and limitations of cost. However the compactness of the structural elements conceals and potential danger for the stable work of the accelerator. This is because a high intensity beam of positively charged particles (protons, positrons, ions) creates around itself an electric self-field of very high intensity, $10^5 - 10^6$ V/cm. Being located near the conducting surfaces, at the distances of 1-20 mm away from them, the field of such bunches activates the field emission of electrons from the surface. These electrons, in addition to electrons from the ionization of residual gases, secondary electrons and electrons knocked out by synchrotron radiation, contribute to the development of a dense electron cloud in the transport line. The particles of the bunch, being scattered on the dense electron cloud with $N_e\sim N_p$, leaves the beam and may cause noticeable damage. The paper presents an analysis of the conditions, under which the field emission in the LHC collimator system may become a serious problem. The analogous analysis of a prototype of the International Linear Collider (ILC) project, USLC, reveals that a noticeable field emission will accompany positron bunches on their entire path during acceleration.

研究の動機と目的

• 高強度加速器環境における場発光のリスクを評価すること、特に LHC コリメータシステムおよび ILC プロトタイプにおけるものである。
• 場発光がイオン化および二次発光を上回る電子源として支配的になるビームおよび表面の条件を特定すること。
• 場発光によって駆動される電子雲の蓄積が引き起こすビームの乱れおよび構造的損傷の可能性を評価すること。
• 表面特性（β_FN）およびビームパラメータ（N_p、束長、表面までの距離）に依存する場発光電流の依存関係を定量化すること。

提案手法

• 点状カソードに限定されない広範囲のカソードを想定し、非ゼロ温度効果を含む修正フォウラー＝ノルデイム（F-N）理論を用いる。
• 相対論的電荷束が生成する電場を、ローレンツ収縮と表面付近の場強化を考慮した相対論的電気双極子モデルで計算する。
• 修正 F-N 理論をビームパラメータ（束内粒子数 N_p ~ 10^11、束長 ~ 100 fs）および表面場強化係数（β_FN）と統合する。
• ビーム管およびコリメータギャップ内の電子増幅鎖および自己場効果をモデル化することで、電子雲ダイナミクスを評価する。
• 相対論的双極子からの電場の解析的表現（式 A-7 から A-11）を用い、ビーム管およびコリメータ付近の場分布をモデル化する。
• 既知の電子源（イオン化、二次発光）と比較することで、LHC および ILC 条件下での支配的状態を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHC コリメータシステムにおいて、どのような条件下で場発光が電子の支配的源となるか？
• RQ2 LHC および ILC において、場発光電流はビーム強度（N_p）およびビーム束長にどのように依存するか？
• RQ3 場強化係数 β_FN が何の値で、場発光が無視できないものから深刻な運用問題に転じるかの臨界値は何か？
• RQ4 場発光は高エネルギー加速器における電子雲形成およびビーム損失にどの程度寄与するか？
• RQ5 極端なビーム条件下において、場発光が電気的破壊または加速器部品の表面損傷を引き起こす可能性はあるか？

主な発見

• β_FN > 300 の場合、場発光電流は顕著になり、LHC コリメータシステムにおける電子雲形成を支配的にする。
• LHC-0/1 シナリオ（束長が2倍短く、N_p が1.48倍高い）では、β_FN = 200 の場合、通常の LHC-n シナリオと比較して場発光電流が14桁増加する。
• 高 β_FN および強いビームパラメータ下では、真空中の電気的破壊およびコリメータの刃の顕著な加熱が生じる可能性がある。
• ILC プロトタイプでは、強い陽電子束のため、加速経路全体にわたり場発光が持続的問題となることが予想される。
• 場発光に起因する電子雲密度は N_e ~ N_p に達し、特に高場強度・コンパクトな領域でビームの散乱および損失を引き起こす。
• 場発光を最小限に抑えるための制御パラメータとして、β_FN × (N_p / hL) の積が特定され、設計最適化が可能であると示唆される。