[論文レビュー] Status of the undulator-based ILC positron source

Felix Dietrich, Gudrid Moortgat‐Pick+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 17被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、250 GeV中心エネルギ一の国際線形衝突機（ILC）におけるアンジュレータベースの陽電子源の設計状況を提示している。231 mのヘリカルアンジュレータを用いて高エネルギー電子ビームから円偏光光子を生成し、回転するTi6Al4Vターゲットでそれらが陽電子を生成する。主な貢献は、ターゲットホイールの熱放射冷却が実現可能であることを示したこと、およびアンジュレータのパラメータ最適化（例：周期を10.5 mmまたは10 mmに短縮）により、アンジュレータ長とエネルギー損失を削減しながらも十分な陽電子出力を維持できることである。

ABSTRACT

The design of the positron source for the International Linear Collider (ILC) is still under consideration. The baseline design plans to use the electron beam for the positron production before it goes to the IP. The high-energy electrons pass a long helical undulator and generate an intense circularly polarized photon beam which hits a thin conversion target to produce $e^+e^-$ pairs. The resulting positron beam is longitudinally polarized which provides an important benefit for precision physics analyses. In this paper the status of the design studies is presented with focus on ILC250. In particular, the target design and cooling as well as issues of the optical matching device are important for the positron yield. Some possibilities to optimize the system are discussed.

研究の動機と目的

• ILC250における高出力で縦方向に偏光した陽電子源の開発。これは、高精度物理学に不可欠である。
• 特に熱負荷管理と冷却を含むターゲット設計の技術的課題に対処し、持続的運用を可能にする。
• 光学マッチングデバイス（OMD）およびアンジュレータパラメータの最適化により、陽電子出力と捕獲効率を最大化する。
• パルス型ソレノイドの運用モードを検討し、熱負荷を低減し性能を向上させる。
• エンジニアリング設計とプロトタイプ開発を可能にするために、アンジュレータ、ターゲット、OMDの主要パラメータを最終決定する。

提案手法

• 陽電子源は、231 mのヘリカルアンジュレータを用い、シンクロtron放射により電子ビームエネルギーを強力な円偏光光子に変換する。
• 光子は、直径1 m、2000 rpmで回転するTi6Al4Vターゲットホイールに照射され、対生成反応によりe+e−対が生成される。
• ターゲットは主に熱放射により冷却され、磁場によるエディシーカレント加熱は、磁場を0.5 T以下に制限することで最小限に抑える。
• 光学マッチングデバイス（OMD）は、放出された陽電子の位相空間を捕獲システムにマッチングさせるために用いられ、性能はOMD設計に依存する。
• アンジュレータの周期（λu = 10.5 mm または 10.0 mm）やK値を最適化し、光子エネルギーと対生成断面積を向上させつつ、エネルギー損失を低減する。
• パルス型ソレノイド運用（1 msパルス、5 Hz、最大4 T）を検討し、平均熱負荷を低減し、陽電子出力を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 250 GeV ILCにおける1.3×10^14 e+/sの陽電子源からの熱負荷を、単独で熱放射冷却に依存する回転Ti6Al4Vターゲットホイールが処理できるか？
• RQ2 アンジュレータ周期を11 mmから10.5 mmまたは10.0 mmに短縮すると、アンジュレータ内での陽電子出力とエネルギー損失にどのような影響を与えるか？
• RQ3 光学マッチングデバイス（OMD）の設計が、陽電子捕獲効率および全体のソース性能に与える影響は？
• RQ4 パルス型ソレノイド運用により、エディシーカレント加熱を低減し、ターゲットホイールの実現可能性が向上するか？
• RQ5 アンジュレータ周期、磁場、ターゲット厚さの最適な組み合わせは何か？ これにより、陽電子出力を最大化するとともに、熱的および放射線的負荷を最小限に抑えることができるか？

主な発見

• 回転するTi6Al4Vターゲットホイールの熱放射冷却は実現可能であり、十分な性能を発揮し、複雑な水冷システムの必要性を排除できる。
• 1 T、1500 rpmで測定されたエディシーカレント加熱は最大4.7 kWに達し、磁場を0.5 T以下に制限するよう推奨する根拠となった。
• アンジュレータ周期を10.5 mmまたは10.0 mmに短縮することで、チタニウム内での光子エネルギーと対生成断面積が約25%向上し、光子数の減少を補っても、アンジュレータ長を短縮できる。
• ILC250では、アンジュレータ有効長を約200 m（λu = 10.5 mm）または約180 m（λu = 10.0 mm）に短縮可能となり、エネルギー損失とシールド要件が低減される。
• パルス型ソレノイド運用（1 msパルス、5 Hz、最大4 T）により、平均消費電力はDC運転時と比較して1–2%にまで低下し、熱負荷が著しく低減され、より高い陽電子出力が可能になる。
• OMDは依然として主要なボトルネックであり、最大の陽電子捕獲効率を実現するためのさらなる研究開発が必要である。