[논문 리뷰] Energy Deposition along The Helical Undulator at ILC-250GeV

Khaled Alharbi, Sabine Riemann외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 8인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 ILC-250GeV 양성자원의 초전도성 나선형 언듈레이터에서 동기복사에 의해 유도되는 전력 침착을 분석하며, 해석적 방법과 HUSR 시뮬레이션을 사용한다. 연구는 14.538m 간격으로 배치된 4.4mm 개구부를 가진 광자 마스크가 벽면 전력 침착을 18.5W/m에서 0.022W/m로 감소시켜 1W/m 안전 기준을 충족시킴을 입증한다.

ABSTRACT

The positron source of the International Linear Collider is based on a superconducting helical undulator passed by the high-energy electron beam to generate photons which hit a conversion target. Since the photons are circularly polarized the resulting positron beam is polarized. At ILC250, the full undulator is needed to produce the required number of positrons. To keep the power deposition in the undulator walls below the acceptable limit of 1W/m, photon masks must be inserted in the undulator line. The photon mask design requires a detailed study of the power deposition in the walls and masks. This paper describes the power deposition in the undulator wall due to synchrotron radiation.

연구 동기 및 목표

• 상대론적 전자 빔 통과로 인한 언듈레이터 벽면에서의 동기복사 전력 침착을 정량화하기 위해.
• 1W/m 안전 기준 이하로 벽면 전력 침착을 감소시키기 위해 광자 마스크를 사용할 수 있는지 타당성을 평가하기 위해.
• 최적의 재료 및 기하학적 설계를 위한 마스크에 입사하는 광자 에너지 및 조도 분포를 파악하기 위해.
• 이deal 언듈레이터 조건에서 해석적 방법과 HUSR 시뮬레이션 결과의 정확성을 비교하기 위해.
• 미완전한 언듈레이터 효과와 부분적 광자 흡수를 고려한 향후 연구의 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 상대론적 동기복사 이론에 기반한 나선형 언듈레이터 복사에서의 각도별 전력 분포에 대한 해석적 수식을 사용하였다.
• HUSR C++ 코드를 사용하여 광자 스펙트럼과 전력 침착을 시뮬레이션하였으며, 결과를 해석적 계산과 대조하여 검증하였다.
• K=0.85, 주기 11.5mm인 132개의 언듈레이터 모듈(각각 1.75m 길이)을 통과하는 128GeV 전자 빔을 추적하였다.
• 모든 모듈의 총 에너지 침착량을 해석적으로 계산하고, 첫 번째 모듈의 결과를 HUSR 결과와 비교하였다.
• 쿼드루폴 뒤에 14.538m 간격으로 4.4mm 개구부를 가진 광자 마스크를 설치하여 언듈레이터 벽면을 보호하였다.
• 마지막 마스크의 반경 방향 전력 분포와 에너지 스펙트럼을 분석하여 재료 선택 및 차폐 설계에 정보를 제공하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 첫 번째 언듈레이터 모듈과 전체 231m 언듈레이터에서의 언듈레이터 벽면 최대 전력 침착은 얼마인가?
• RQ2 4.4mm 광자 마스크는 벽면 전력 침착을 1W/m 이하로 감소시키는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 마지막 광자 마스크에 입사하는 광자의 에너지 스펙트럼과 반경 방향 전력 분포는 무엇인가?
• RQ4 언듈레이터 벽면에서의 전력 침착에 대해 해석적 방법과 HUSR 시뮬레이션 결과는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 비이상적인 언듈레이터 파rameter와 부분적 광자 흡수의 영향은 마스크 설계에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 첫 번째 언듈레이터 모듈에서의 최대 전력 침착은 약 1.10W/m이다.
• 모든 132개 모듈의 총 전력 침착량은 마스크 없이 18.5W/m에 이른다.
• 4.4mm 개구부를 가진 광자 마스크는 최대 벽면 전력 침착량을 0.022W/m로 감소시킨다.
• 마지막 마스크에 도달하는 최대 광자 에너지는 11MeV에 이르며, 평균은 1.93MeV이다.
• 마지막 마스크의 반경 방향 전력 분포는 2.2mm 반경에서 최고를 보이며, 2.925mm 방향으로 크게 감소한다.
• 마지막 광자 마스크에 입사하는 총 전력은 약 335W이며, 이는 견고한 열 및 방사선 차폐 설계가 필요함을 시사한다.