[論文レビュー] Undulator-Based Positron Source at 250 GeV CM Energy with Different Optical Matching Devices: Pulsed Flux Concentrator and Quarter Wave Transformer

Andriy Ushakov, Gudrid Moortgat‐Pick+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、国際線形衝突器（ILC）の250 GeV中心系エネルギー陽電子源として、2つの光学整合装置（パルス型フラックスコンcentレータ（FC）と1/4波長変換器（QWT））を備えたヘリカルウンドレーターの実現可能性を評価する。FCは最大エネルギー吸収が33.3 J/gに達し、銅の限界を大きく超えるが、QWTに切り替えることでこれを7 J/gに低減でき、K値を0.85にやや増加させることで安全かつ高効率な陽電子源を実現可能となる。この場合、陽電子生成効率は1.5 e+/e−に達し、放射線損傷は年間0.12 dpaにとどまる。

ABSTRACT

In the baseline design of the International Linear Collider (ILC) an undulator-based source is foreseen for the positron source. In this study the energy deposition in the pulsed flux concentrator (FC) of positron source is calculated for the ILC at 250 GeV center-of-mass energy. The peak energy of 33 J/g deposited by one beam pulse in the current design of the FC is above the limit for copper material. Several promising options were considered to solve the issue of overheating the FC: the quarter wave transformer (QWT) has a significantly bigger aperture and is considered as an valuable and safe alternative for the FC. Since the positron source with a QWT is expected to lead to a lower positron capture efficiency, also the expected positron yield was calculated in addition to the energy deposition in QWT.

研究の動機と目的

• 国際線形衝突器（ILC）の250 GeV中心系エネルギーにおける基準パルス型フラックスコンセントレータ（FC）の熱的および放射線的課題を評価すること。
• より高い熱的限界を持つため、FCの代替として1/4波長変換器（QWT）を採用する実現可能性を検討すること。
• QWTを用いて1.5 e+/e−の陽電子生成効率を達成するための必要なウンドレーターK値およびビームパラメータを特定すること。
• 同一のILC 250 GeV条件下で、FCとQWTの両配置における陽電子捕獲効率およびエネルギー吸収量を比較すること。

提案手法

• ILCの減衰リングの受容性（±3.4 cm × ±37.5 MeV 縦方向、70 mm·rad 横方向エミッタンス）を考慮した、PPS-Sim（Geant4ベース）を用いて陽電子生成効率を計算した。
• FCおよびQWT部品におけるエネルギー吸収および放射線損傷を評価するため、FLUKAベースのシミュレーションを実施した。
• 125 GeVドライブビーム、1パルスあたり1312ビーム束、5 Hz繰り返しレート、231 mのウンドレーター長さというビームパラメータを用いて、FCおよびQWT内のエネルギー吸収プロファイルをシミュレートした。
• ターゲット厚さの短縮（7 mmに低減）、ウンドレーターからターゲットまでの距離短縮のためのコンactな電子ドッグレッグの導入、キャプチャリニアックにおけるビーム長さカットの適用といった最適化を実施した。
• 最初のQWTソレノイド磁場（0.4 T ～ 2.2 T の範囲）を変化させたときの陽電子生成効率への影響を評価し、最適磁場強度を約1.4 Tで特定した。
• 変位損傷原子当たり（dpa）を用いてQWTの放射線損傷を評価し、5000時間の運転後におけるピーク損傷量を0.12 dpaと推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 250 GeV中心系エネルギー下で、最大エネルギー吸収が33.3 J/gに達するパルス型フラックスコンセントレータ（FC）は、その熱的限界（銅：7–12 J/g）を超えるため、熱的破壊のリスクがあるか？
• RQ2 1/4波長変換器（QWT）は、顕著に低い最大エネルギー吸収を実現するため、FCの代替として実用的かつ熱的に安全な選択肢となるか？
• RQ3 250 GeV中心系エネルギー下で、QWTを用いて1.5 e+/e−の陽電子生成効率を達成するためのウンドレーターK値は何か？
• RQ4 最適化された条件下で、FCとQWTの両配置における陽電子捕獲効率はどのように比較できるか？
• RQ5 QWTにおける年間放射線損傷レベルは何か？ これは安全な運用限界内にあるか？

主な発見

• パルス型FCは最大エネルギー吸収が33.3 J/gに達し、銅の安全限界（7–12 J/g）を大きく超えるため、熱的破壊のリスクがある。
• ターゲット厚さを7 mmに短縮し、コンパクトな電子ドッグレッグを導入することで、FCの最大エネルギー吸収は25.5 J/gに低減されたが、依然として銅の限界を超える。
• QWTは鉄ヨーク部の最大エネルギー吸収を7 J/gに低減し、ARMCO純鉄の12.5 J/gの限界を大きく下回るため、熱的実現可能性を有する代替手段である。
• 1.04 TのQWT磁場で、ウンドレーターK値を0.85に増加させることで、陽電子生成効率が1.5 e+/e−に達し、FCと同等の性能を示した。
• QWTのピーク年間放射線損傷は0.12 dpaと推定され、0.5 dpaの閾値を著しく下回るため、長期運用における安全性が保証される。
• QWTは6.5 mmに比べ11 mmの大きなアパーチャを有するため、エネルギー吸収密度が低く、FCに比べて熱的・機械的安定性に優れている。