[논문 리뷰] A study of RHIC crystal collimation

D. Trbojević, Biryukov, V. M.외 6명|ArXiv.org|2001. 11. 07.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 7인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 RHIC의 주(primary) 콜리메이터 상류에 굴절된 실리콘 단일 결정체를 사용하여 중수소 이온의 비례 콜리메이션 효율을 향상시키는 방법을 제안한다. 고진폭 입자를 결정에 의해 유도된 굴절을 통해 채널링함으로써, 정밀한 재어 조절이 필요로 하는 정도를 줄이고, 중요한 개구부에서의 비례 손실을 낮추어, 콜리메이터를 5σ로 설정했을 때 고리 손실을 99.43% 감소시키며, 표준 콜리메이션에 비해 검출기 배경을 크게 낮춘다.

ABSTRACT

The Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) will experience increasing longitudinal and transverse heavy ion emittances, mostly due to intra-beam scattering (IBS). The experiments in RHIC are expected to not only have reduced luminosities due to IBS but also an unwanted beam halo. Primary betatron collimators will be used to remove the large amplitude particles. The efficiency of the primary collimator in RHIC depends very much on the alignment of the jaws which needs to be within few micro-radians for the best conditions. As proposed by V. Biryukov bent crystals could be used to improve the efficiency of an existing collimation system by installing them upstream of the collimator jaws. Bent crystals have been successfully used in SPS, Protvino and Fermilab for extraction of the beam particles channeled through them. This study examines possible improvements of the primary collimator system for heavy ions at RHIC by use of bent crystals. Bent crystals will reduce the collimator jaws alignment requirement and will increase collimator efficiency thereby reducing detector background.

연구 동기 및 목표

• 내부 비례 산란(IBS) 및 기타 요인으로 인한 RHIC 내에서 증가하는 비례 손실과 헬로 형성 문제를 해결하기 위해.
• 고베타 쿼드루플렛에서의 비례 손실로 인한 PHENIX 및 STAR 검출기의 배경을 줄이기 위해.
• 정밀한 재어 조절에 의존하는 것 대신 굴절된 결정에 의한 굴절을 통해 콜리메이션 효율을 향상시키기 위해.
• 중수소 이온의 주 콜리메이션 향상 장치로 굴절된 단일 결정체를 사용하는 것이 실현 가능한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 195,288개의 금-197 이온(γ = 108.4)을 1cm 길이, 1mrad 굴절 각도를 가진 실리콘(110) 결정을 통해 시뮬레이션한 운반.
• SPS-CERN 데이터에서 얻은 단계 공간 분포를 사용하여 5σx를 초월하는 확산 유도 진폭 증가를 모델링.
• 결정 후 7.68m 하류에 주 콜리메이터를 놓고 RHIC 레이스를 통해 입자를 추적.
• 트리플렛 자석(β* = 1–2m)과 같은 고리의 주요 위치에서의 손실을 평가하고, 표준 콜리메이션과 결정 보조 방식을 비교.
• 결정을 통과한 후의 수평 단계 공간에서 입자의 기울기와 위치를 분석하여 굴절 효율을 평가.
• 전체 다중 회전 추적 대신 단일 통과 시뮬레이션을 수행하였으며, 향후 다중 회전 분석을 계획함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 굴절된 결정이 RHIC에서 고진폭 중수소 이온을 효과적으로 굴절시켜 주 콜리메이터의 정밀한 재어 조절 필요성을 줄일 수 있는가?
• RQ2 결정 보조 콜리메이션은 표준 이중 단계 콜리메이션과 비교하여 고리 손실 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 결정 굴절은 특히 고개구부 제한이 있는 쿼드루플렛 근처에서 비례 손실 위치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 결정 콜리메이션은 PHENIX 및 STAR 검출기의 배경을 어느 정도 감소시킬 수 있는가?

주요 결과

• 주 콜리메이터를 5σx로 설정했을 때, 결정 콜리메이션 방식에서는 고리 손실이 0.00%로 떨어졌고, 표준 콜리메이션 설정에서는 5.10%였다.
• 콜리메이터를 개방한 상태에서 결정 보조 콜리메이션은 총 고리 손실을 2.66%로 줄였고, 표준 경우는 12.11%였다.
• 대부분의 굴절된 입자는 평균 굴절 각도가 약 1mrad인 채널링 상태에 있었으며, 이는 입사 입자와 채널링된 입자 간 기울기의 차이로 확인되었다.
• 기울기가 -1.15mrad 이상인 입자는 채널링되지 않았고, 특히 첫 번째 하류 쿼드루플렛과 고베타 영역에서 손실 기여를 하였다.
• IR 근처의 고집중 쿼드루플렛에서의 손실이 크게 감소하여, 직접적으로 검출기 배경을 낮추었다.
• 시뮬레이션 결과 굴절된 결정이 효과적으로 사전 콜리메이터 역할을 하여 주 콜리메이터를 더 효율적인 보조 콜리메이터로 전환시킬 수 있음을 보여주었다.