[논문 리뷰] Ion Polarization Scheme for MEIC

A. M. Kondratenko, M. A. Kondratenko외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 19.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 12인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 중에너지 전자-이온 콜라이더(MEIC)를 위한 새로운 이온 극화 기법을 제안한다. 이 기법은 약한 솔레노이드를 사용하는 도넛형 링 구조를 채택하여 스핀 동역학을 제어하며, 스핀 튜닝을 1/2이 아닌 0으로 설정함으로써 아크에 의한 스핀 극화 해체를 제거하고, 저강도 종방향 자기장에 의해 정밀하고 비침습적인 극화 제어를 가능하게 한다. 이는 공진에 의한 극화 해체를 크게 감소시키고, 1초 이내의 스핀 반전을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The choice of a figure 8 shape for the booster and collider rings of MEIC opens wide possibilities for preservation of the ion polarization during beam acceleration as well as for control of the polarization at the collider's interaction points. As in the case of accelerators with Siberian snakes, the spin tune is energy independent but is equal to zero instead of one half. The figure-8 topology eliminates the effect of arcs on the spin motion. There appears a unique opportunity to control the polarization of any particle species including deuterons, using longitudinal fields of small integrated strength (weak solenoids). Contrary to existing schemes, using weak solenoids in figure-8 colliders, one can control the polarization at the interaction points without essentially any effect on the beam's orbital characteristics. A universal scheme for control of the polarization using weak solenoids provides an elegant solution to the problem of ion acceleration completely eliminating resonant beam depolarization. It allows one to easily adjust the polarization in any direction at any orbital location, which becomes necessary when transferring the beam from one ring into another or when measuring the polarization by polarimeters. It also allows for an easy manipulation of the spin direction at an interaction point during an experiment. The latter feature allows one to set up a spin-flipping system with a spin reversal time of less than a second. By compensating the coherent part of the zero-integer spin resonance strength, which arises due to errors in alignment of the magnetic element of the lattice, one can reduce the field integrals of the control solenoids by a few orders of magnitude.

연구 동기 및 목표

• MEIC 콜라이더에서 가속 중 이온 극화 유지 문제를 해결하기 위해.
• 격자 정렬 오차와 자기장 오차에 의해 유도되는 공진에 의한 비극화를 제거하기 위해.
• 빔 품질을 떨어뜨리지 않고 상호작용점에서 이온 스핀 방향에 대한 민첩하고 실시간 제어를 가능하게 하기 위해.
• 디우터론을 포함한 다양한 이온 종류에 적용 가능한 일반적인 극화 제어 방법을 개발하기 위해.
• 공명에 의한 극화 해체를 줄이기 위해 일관된 정수 스핀 공명 강도를 보완함으로써 제어 솔레노이드의 필요 필드 적분을 감소시키기 위해.

제안 방법

• 스핀 운동을 아크 효과로부터 분리하기 위해 도넛형 링 기하구조를 채택하여 스핀 튜닝을 0으로 확보한다.
• 저항력이 낮은 통합 자기장 강도를 가진 약한 솔레노이드를 사용하여 궤도 빔 동역학에 영향을 주지 않고 스핀 방향을 제어한다.
• 격자 오차로 인한 정수 스핀 공명 강도의 상쇄를 통해 스핀 튜닝 보정을 구현한다.
• 종방향 자기장을 적용하여 궤도 상의 어느 위치에서나 스핀 방향을 조작할 수 있도록 하며, 링 간 빔 이송 중에도 가능하게 한다.
• 제어된 솔레노이드 필드를 사용하여 1초 이내의 반전 시간을 갖는 스핀 반전 시스템을 설계한다.
• 가속기 내 어느 위치에서나 어느 방향으로든 극화 조정이 가능한 일반적인 기법을 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도넛형 링 구조가 이온 가속기에서 아크에 의한 스핀 극화 해체를 제거할 수 있는가?
• RQ2 약한 솔레노이드가 빔 궤도 특성에 영향을 최소화하면서도 이온 극화를 얼마나 잘 제어할 수 있는가?
• RQ3 일관된 정수 스핀 공명 강도를 얼마나 효과적으로 보완하여 필요한 솔레노이드 필드 적분을 줄일 수 있는가?
• RQ4 이 기법을 사용하여 고에너지 이온 콜라이더에서 1초 이내의 스핀 반전을 달성할 수 있는가?
• RQ5 제안된 방법이 디우터론을 포함한 다양한 이온 종류에 일반적으로 적용 가능한가?

주요 결과

• 도넛형 링 구조는 스핀 튜닝을 0으로 만들며, 아크가 스핀 운동에 미치는 영향을 제거한다.
• 약한 솔레노이드는 상호작용점에서 극화를 최소한의 빔 궤도 특성 변화로 제어할 수 있다.
• 격자 오차로 인한 공진에 의한 빔 극화 해체가 정수 스핀 공명 강도 보정으로 크게 감소된다.
• 공명 보정을 통해 제어 솔레노이드의 필요 필드 적분이 수 개의 주자수 감소된다.
• 제안된 기법을 사용하여 1초 이내의 반전 시간을 갖는 스핀 반전이 가능하다.
• 이 방법은 가속기 내 어느 위치에서나 어느 방향으로든 스핀 방향을 유연하고 일반적으로 제어할 수 있다.