[論文レビュー] Status report of the baseline collimation system of CLIC. Part II

Javier Resta-López, D. Angal-Kalinin+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2011

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 32被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、コンパクト線形衝突機（CLIC）におけるベータトロン補助系の最適化設計を提示し、ウェイクフィールド効果の低減と補助効率の向上に焦点を当てている。材料選定、幾何形状の最適化、光学調整を評価し、ビーム誘起ウェイクフィールドとハロ再生を低減した。0.4σの垂直方向オフセットにおいてウェイクフィールドによる最大20％のランクス性損失が発生するが、機械的・電気的特性に優れるため、毒性の懸念があるにもかかわらず、ベリリウムが採用された。

ABSTRACT

Important efforts have recently been dedicated to the characterisation and improvement of the design of the post-linac collimation system of the Compact Linear Collider (CLIC). This system consists of two sections: one dedicated to the collimation of off-energy particles and another one for betatron collimation. The energy collimation system is further conceived as protection system against damage by errant beams. In this respect, special attention is paid to the optimisation of the energy collimator design. The material and the physical parameters of the energy collimators are selected to withstand the impact of an entire bunch train. Concerning the betatron collimation section, different aspects of the design have been optimised: the transverse collimation depths have been recalculated in order to reduce the collimator wakefield effects while maintaining a good efficiency in cleaning the undesired beam halo; the geometric design of the spoilers has been reviewed to minimise wakefields; in addition, the optics design has been optimised to improve the collimation efficiency. This report presents the current status of the the post-linac collimation system of CLIC. Part II is mainly dedicated to the study of the betatron collimation system and collimator wakefield effects.

研究の動機と目的

• CLICにおけるベータトロン補助系を最適化し、ビームハロの再生とウェイクフィールド効果を最小限に抑えること。
• 補助器のウェイクフィールドがランクス性の低下とビームダイナミクスに与える影響を評価すること。
• 安全性と耐久性を考慮しながら、ベリリウムの代替材料を検討し、性能とバランスをとること。
• スポイラーと吸収体の幾何学的および光学的チューニングにより、補助効率を向上させること。
• CLIC概念設計報告書（CDR）を支援する、堅牢で一貫性のある補助系設計を提供すること。

提案手法

• PLACETおよびGUINEA-PIGコードを用いて、抵抗性および幾何的成分を含むウェイクフィールド効果をシミュレーションおよび計算した。
• アライメント許容誤差を維持しつつ、ウェイクフィールド寄与を低減するため、スポイラーのテーパー角（88 mrad）と幾何形状を最適化した。
• 熱的・機械的・電気的性能を評価し、ベリリウム、Ti-Cu、Ti合金-Cu被膜を含む材料選択肢を検討した。
• BDSIMおよびPLACET-HTGENモジュールを用いて、ビームガス散乱および二次粒子生成によるハロ生成をシミュレーションした。
• ビームオフセットおよびウェイクフィールド誘起のランクス性損失に対する感度分析を実施し、ビーム試験施設の結果と照合した。
• シミュレーションモデルの妥当性を検証するため、FACET、ATF2、ESTBでの未来的な測定を提案した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 補助器のウェイクフィールドは、CLICのベータトロン補助系におけるランクス性の低下にどのように影響するか？
• RQ2 ウェイクフィールド効果を最小限に抑えるとともに補助効率を維持するための、スポイラーの最適な幾何学的および材料的設計は何か？
• RQ3 材料選択（例：ベリリウム対Ti-Cu）は、補助系における性能、安全性、耐久性にどのように影響するか？
• RQ4 光学的および幾何的チューニングによって、ハロ再生をどの程度低減でき、ビームクリーニング効率を向上できるか？
• RQ5 BDSIMやPLACET-HTGENといったシミュレーションツールは、ハロダイナミクスおよび二次粒子生成の現実的なモデル化にどのように寄与するか？

主な発見

• ウェイクフィールド効果により、垂直方向ビームオフセットが約0.4σyのとき、最大20％のランクス性損失が発生する。主に抵抗性ウェイクフィールドに起因する。
• スポイラーのテーパー角を15 mradに低減してもウェイクフィールド低減効果は限定的であり、1 mの長さを要するため、アライメント感度が上昇した。
• 元の88 mradのテーパー角が維持された。抵抗性ウェイクフィールドが支配的であり、長尺スポイラーによる機械的許容誤差の増大が理由である。
• 毒性の懸念があるにもかかわらず、高い熱的・機械的耐久性と低い抵抗性ウェイクフィールドのため、ベリリウムがスポイラーの最適材料である。
• Ti-CuやTi合金-Cu被膜は、犠牲的スポイラーとしての代替材料として実用的であり、耐久性要件の緩和が可能である。
• BDSIMやBDSIM-PLACETインターフェースといったシミュレーションツールは、ハロダイナミクス、二次粒子生成、ウェイクフィールド効果の現実的なモデル化を可能にし、システムの妥当性を裏付ける。