[논문 리뷰] Electron cloud in the CERN accelerators (PS, SPS, LHC)

Giovanni Iadarola, G. Rumolo|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 01.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 PS, SPS 및 LHC 기구에서 밀도가 높고 서로 가까이 있는 빔 빔 간격에서 전자 클라우드 효과를 조사한다. 실험 측정과 시뮬레이션을 통해 전자 클라우드 형성이 빔 불안정성, 에미ittance 증가 및 열 부하의 주요 원인임을 밝히며, 특히 SPS 및 LHC에서 25ns 빔 트레인 조건에서 스크러빙 및 클리어링 전극이 이러한 효과를 효과적으로 억제할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

Several indicators have pointed to the presence of an Electron Cloud (EC) in some of the CERN accelerators, when operating with closely spaced bunched beams. In particular, spurious signals on the pick ups used for beam detection, pressure rise and beam instabilities were observed at the Proton Synchrotron (PS) during the last stage of preparation of the beams for the Large Hadron Collider (LHC), as well as at the Super Proton Synchrotron (SPS). Since the LHC has started operation in 2009, typical electron cloud phenomena have appeared also in this machine, when running with trains of closely packed bunches (i.e. with spacings below 150ns). Beside the above mentioned indicators, other typical signatures were seen in this machine (due to its operation mode and/or more refined detection possibilities), like heat load in the cold dipoles, bunch dependent emittance growth and degraded lifetime in store and bunch-by-bunch stable phase shift to compensate for the energy loss due to the electron cloud. An overview of the electron cloud status in the different CERN machines (PS, SPS, LHC) will be presented in this paper, with a special emphasis on the dangers for future operation with more intense beams and the necessary countermeasures to mitigate or suppress the effect.

연구 동기 및 목표

• 고강도, 밀도가 높은 서로 가까운 빔 간격 조건에서 CERN의 PS, SPS 및 LHC에서 전자 클라우드 형성 특성을 규명하기 위해.
• LHC 및 SPS에서 전자 클라우드 효과로 인한 빔 불안정성, 에미ittance 증가 및 열 부하의 근본 원인을 규명하기 위해.
• 빔 스크러빙 및 클리어링 전극과 같은 완화 전략이 전자 클라우드 밀도를 줄이는 데 얼마나 효과적인지 평가하기 위해.
• 모델 시뮬레이션의 실험적 검증을 통해 진공 챔버 재료의 표면 특성(제2차 전자 방출 계수 δ_max 및 반사율 R_0)을 결정하기 위해.
• LHC 인젝터 업그레이드(LIU) 프로젝트를 고려할 때, 향후 고강도 빔 운영의 장기적 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 50ns 및 25ns 빔 간격을 가진 빔 사이클 동안 PS에 설치된 차폐되고 펄스가 가해진 피크업을 사용하여 시간에 따라 변화하는 전자 클라우드 측정을 수행하였다.
• 2002~2007년 동안 SPS에서 전자 클라우드 입자를 통해 챔버 벽을 타격함으로써 제2차 전자 방출 계수(SEY)를 감소시키기 위한 전용 스크러빙 런을 실시하였다.
• 빔 다이내믹스를 모델링하고 다양한 색수차 조건 및 전자 클라우드 조건 하에서 안정성을 예측하기 위해 HEADTAIL 시뮬레이션을 사용하였다.
• 특히 LHC의 냉각 도자이폴에서 측정된 데이터와 예측된 전자 클라우드 밀도 및 열 부하를 일치시켜 시뮬레이션 모델을 校정하였다.
• 여러 차례 MD 세션 동안 BSRT를 사용하여 번들별 에미ittance를 측정하여 전자 클라우드의 진화를 다양한 빔 필링 조건에서 추적하였다.
• 빔 파rameter(번들 간격, 강도, 길이)를 변화시켜 종속성을 분리하고, 역모델링을 통해 표면 특성(δ_max, R_0)을 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PS 및 SPS에서 빔 간격, 강도, 길이 등의 빔 파rameter가 전자 클라우드 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 빔 스크러빙은 SPS 및 LHC에서 제2차 전자 방출 계수를 얼마나 줄이고 전자 클라우드 성장을 억제할 수 있는가?
• RQ3 전자 클라우드는 LHC에서 25ns 빔 트레인 조건에서 빔 에미ittance 증가 및 수명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 색수차 설정은 전자 클라우드 효과로 인한 횡방향 불안정성의 발생 및 증가에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 시뮬레이션 모델은 LHC에서 전자 클라우드 밀도 및 열 부하를 정확히 예측할 수 있으며, 실험 데이터와 일치하기 위해 필요한 표면 파rameter(δ_max, R_0)는 무엇인가?

주요 결과

• PS에서 전자 클라우드 형성은 주로 빔 생성의 마지막 40~50ms 동안 발생하며, 이는 번들 단축 및 빠른 회전과 겹친다. 이는 클리어링 전압을 적용함으로써 억제된다.
• 여러 차례의 스크러빙 런 이후 SPS에서는 전자 클라우드 효과가 크게 감소하였으며, 50ns 또는 표준 25ns 빔에 대해 해로운 영향을 미치지 않았다.
• LHC에서는 25ns 빔에서 지속적인 에미ittance 증가 및 불안정성이 관찰되었으며, 빔을 안정화시키기 위해 높은 색수차(Q′_x,y ≈ 15)가 필요하다. 이는 계속되는 전자 클라우드 효과를 시사한다.
• 번들별 에미ittance 측정 결과, 10월 14일에서 10월 25일 사이에 빔 품질이 뚜렷이 향상되었으며, 각 배치의 첫 번째 2~3개 번들의 에미ittance 증가가 최소한이었다.
• LHC의 냉각 도자이폴에서의 열 부하 측정값이 시뮬레이션과 일치하여, 진공 챔버 표면의 δ_max ≈ 1.45 및 R_0 = 0.7을 추출할 수 있었다.
• 고색수차 조건에서 수평 평면에서 전자 클라우드 효과가 더 두드러지며, 색수차를 감소시킬 경우 비공진 성장에서 급속한 불안정성으로의 제도 전환을 유도하는 것으로 나타났다.