[논문 리뷰] Application of bent crystals at IHEP 70-GeV accelerator to enhance the efficiency of its usage

V.I. Kotov, A. G. Afonin외 14명|ArXiv.org|2001. 10. 31.

Crystallography and Radiation Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 IHEP 70-GeV U-70 가속기에서 굽은 실리콘 결정을 성공적으로 적용하여 높은 효율성과 다중 회전 비례 기록을 달성한 바를 보여준다. 3-mm 두께, 0.9 mrad 굽힘 각도의 결정을 사용하여 1회 분출당 최대 4×10¹¹개의 양성자, 65%의 추출 효율을 달성하였다. 이 시스템은 4개의 실험을 동시에 운영할 수 있었으며, K± 메손 붕괴 연구 및 보조 비례 생성을 포함하여 성능 저하 없이 27일간의 방사선 조사(10²⁰ 프로톤/cm²)를 견뎌냈다.

ABSTRACT

Bent crystal was extracting 70-GeV protons with average intensity 4*10^11 (as measured in external beamline) per spill of 1.6 s duration, in parallel to the simultaneous work of two internal targets in the accelerator ring. An additional crystal, placed in the external beamline, was deflecting a small part of the extracted beam with intensity 10^7 protons toward another physics experiment. Crystal-extracted beam had a typical size of 4 mm by 4 mm fwhm at the end of the external beamline. Measurements for the extraction efficiency and other characteristics at the simultaneous work of four experimental set-ups are presented. With crystal working in the above-said regime during one month, no degradation of channeling was observed. The studies of extraction efficiency have been continued with new crystals.

연구 동기 및 목표

• IHEP 70-GeV 가속기에서 굽은 실리콘 결정을 사용하여 고효율, 다중 회전 비례 추출 방법을 개발하고 실험적으로 입증하는 것.
• 내부 표적 운영을 유지하면서 굽은 결정을 통한 비례로 여러 물리 실험을 동시에 운영할 수 있도록 하는 것.
• 실제 가속기 환경에서 고강도 방사선 조사 조건에서 굽은 결정의 장기적 안정성과 성능을 평가하는 것.
• 더 짧고 더 강하게 굽힌 결정을 사용하여 현재 수준을 초월하는 비례 효율 향상을 가능하게 할 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• U-70 가속기 고리의 직선 구간 19번과 106번에 0.5–2 mrad 굽힘 각도를 가진 굽은 실리콘 결정을 설치하였다.
• 폐쇄 루프 작동 방식의 국소 궤도 왜곡 시스템을 사용하여 빔을 정밀하게 결정에 맞추었다.
• 비례는 세퍼트 맴그네틱스(OM-20 및 OM-24)를 통해 이루어졌으며, 이는 결정에 의해 휘어진 빔을 포착하였다. 각각의 분할 두께는 8 mm 및 2.5 mm였다.
• 보조 결정(Si30, 약 9 mrad 굽힘)이 소수의 빔(약 10⁷ 프로톤/사이클)을 별도의 비례선로로 휘어져 추가 실험을 위해 이용하였다.
• 비례 효율은 결정에 방향 전환된 빔의 비율 대비 추출된 강도를 비교하여 측정하였으며, 측정 정확도는 약 4%였다.
• 27일 동안 반복적인 효율 측정과 빔 크기 특성 분석(외부 비례선로 종단에서 4 mm × 4 mm FWHM)을 통해 결정 성능을 모니터링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 70-GeV 양성자 가속기에서 굽은 실리콘 결정을 사용할 경우 얻을 수 있는 최대 비례 효율은 얼마인가?
• RQ2 굽은 결정이 성능 저하 없이 여러 실험에 동시에 비례를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 고강도 빔 강도에서 장기간 방사선 조사 조건에서 굽은 결정의 채널링 특성은 얼마나 안정적인가?
• RQ4 더 짧고 더 강하게 굽힌 결정을 사용하면 현재 수준을 초월하는 비례 효율 향상을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 3-mm 두께, 0.9 mrad 굽힘 각도의 결정은 결정에 방향 전환된 빔의 20%에 대해 65%의 비례 효율을 달성하였다.
• 5-mm 두께, 1.5 mrad 굽힘 각도의 결정은 동일한 빔 비율에서 42%의 비례 효율을 기록하였다.
• 27일 동안 Si19 결정은 약 10²⁰ 프로톤/cm²의 방사선 선량에 노출되었으며, 비례 효율에 대한 측정 가능한 저하가 없었다(초기 44±2%, 최종 43±2%).
• 추출된 빔은 외부 비례선로 종단에서 일반적으로 4 mm × 4 mm FWHM 크기를 보였으며, 후속 실험에 적합하였다.
• 시뮬레이션 결과, 최적화된 굽힘 프로파일을 가진 더 짧은 결정(예: 1 mm 이하)을 사용하면 비례 효율을 추가로 향상시킬 수 있을 것으로 예측되었다.
• 이 시스템은 두 개의 내부 표적(IT24, IT27)과 두 개의 외부 비례선로(22, 23)를 포함하여 총 4개의 실험을 동시에 운영하는 데 성공했으며, K± 메손 붕괴 연구도 포함되었다.