[논문 리뷰] On Field Emission in High Energy Colliders Initiated by a Relativistic Positively Charged Bunch of Particles

B. B. Levchenko|arXiv (Cornell University)|2006. 08. 12.

Particle accelerators and beam dynamics참고 문헌 67인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 충돌기, 특히 LHC와 ILC에서 강력한 상대론적 양전자 및 양성자 빔 뭉치로 인한 도체 표면의 전기장 발사 현상을 분석한다. 수정된 Fowler-Nordheim 이론을 사용하여 전자 방출이 전자 클라우드 형성에서 지배적인 역할을 할 수 있음을 보여주며, 이는 특히 밀도 높은 콜리메이터 시스템에서 발생하여 전류 손실 및 잠재적 손상으로 이어질 수 있다. 전기장 발사 수율이 높을 경우(예: β_FN > 300) 또는 빔 매개변수 값이 극단적일 경우(예: LHC-0/1 시나리오), 이 현상은 심각한 문제로 작용한다.

ABSTRACT

The design of the LHC and future colliders aims their operation with high intensity beams, with bunch population, $N_p$, of the order of $10^{11}$. This is dictated by a desire to study very rare processes with maximum data sample. HEP colliders are engineering structures of many kilometers in length, whose transverse compactness is achieved by the application of the superconducting technologies and limitations of cost. However the compactness of the structural elements conceals and potential danger for the stable work of the accelerator. This is because a high intensity beam of positively charged particles (protons, positrons, ions) creates around itself an electric self-field of very high intensity, $10^5 - 10^6$ V/cm. Being located near the conducting surfaces, at the distances of 1-20 mm away from them, the field of such bunches activates the field emission of electrons from the surface. These electrons, in addition to electrons from the ionization of residual gases, secondary electrons and electrons knocked out by synchrotron radiation, contribute to the development of a dense electron cloud in the transport line. The particles of the bunch, being scattered on the dense electron cloud with $N_e\sim N_p$, leaves the beam and may cause noticeable damage. The paper presents an analysis of the conditions, under which the field emission in the LHC collimator system may become a serious problem. The analogous analysis of a prototype of the International Linear Collider (ILC) project, USLC, reveals that a noticeable field emission will accompany positron bunches on their entire path during acceleration.

연구 동기 및 목표

• 고강도 충돌기 환경에서 전기장 발사의 위험을 평가하는 것, 특히 LHC 콜리메이터 시스템과 ILC 프로토타입에서의 적용을 중심으로 한다.
• 전기장 발사가 이온화 및 2차 방출을 초월하여 지배적인 전자 공급원이 되는 빔 및 표면 조건을 규명하는 것.
• 전기장 발사에 의해 유도된 전자 클라우드 축적으로 인한 빔 방해 및 구조적 손상의 잠재력을 평가하는 것.
• 표면 특성(β_FN)과 빔 매개변수(N_p, 빔 길이, 표면까지의 거리)에 따른 전기장 발사 전류의 의존도를 정량화하는 것.

제안 방법

• 이dealized 점 캐소드가 아닌 비열적 영향과 광역 캐소드를 고려한 수정된 Fowler-Nordheim(F-N) 이론을 적용하여 전기장 발사를 분석한다.
• 상대론적 전하 뭉치에 의해 생성되는 전기장을 상대론적 듀폴 모델을 사용하여 계산하며, Lorentz 수축과 표면 근처의 전기장 강화를 고려한다.
• 수정된 F-N 이론을 빔 매개변수(N_p ~ 10^11, 빔 길이 ~ 100 fs) 및 표면 전기장 강화 계수(β_FN)와 통합한다.
• 빔 파이프 및 콜리메이터 갭에서 전자 다중 증폭 체인과 자기장 효과를 모델링하여 전자 클라우드 동역학을 평가한다.
• 상대론적 듀폴에서 유도된 전기장 해석식(Eq. A-7 ~ A-11)을 사용하여 빔 파이프 및 콜리메이터 근처의 전기장 분포를 모델링한다.
• LHC 및 ILC 조건에서 전자 방출 전류 밀도를 이온화 및 2차 방출과 비교하여 지배적일 조건을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 콜리메이터 시스템에서 전기장 발사가 전자 공급원으로 지배적이 되는 조건은 무엇인가?
• RQ2 LHC 및 ILC에서 빔 강도(N_p)와 빔 뭉치 길이에 따라 전기장 발사 전류는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 전기장 강화 계수 β_FN의 임계값은 얼마일 때 전기장 발사가 무시할 수 없는 수준에서 심각한 운영 문제로 전환되는가?
• RQ4 고에너지 충돌기에서 전기장 발사는 전자 클라우드 형성과 빔 손실에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 극한의 빔 조건에서 전기장 발사는 가속기 부품의 전기적 파손 또는 표면 손상으로 이어질 수 있는가?

주요 결과

• β_FN > 300일 경우 전기장 발사 전류는 뚜렷해지며, LHC 콜리메이터 시스템에서 전자 클라우드 형성의 주요 원인이 될 수 있다.
• LHC-0/1 시나리오(두 배로 짧아진 빔 길이, N_p가 1.48배 높아진 경우)에서 β_FN = 200일 때 전기장 발사 전류는 정규 LHC-n 시나리오 대비 14개 항성 증가한다.
• 고 β_FN 및 고강도 빔 매개변수 조건에서 전자 방출은 진공 내 전기적 파손과 콜리메이터 절단부의 심각한 가열을 유도할 수 있다.
• ILC 프로토타입에서는 강력한 양전자 뭉치로 인해 전기장 발사는 전체 가속 경로 동안 지속적인 문제로 예상된다.
• 전기장 발사에 의해 유도된 전자 클라우드 밀도는 N_e ~ N_p에 도달할 수 있으며, 이는 특히 밀도 높고 고전기장 지역에서 빔 산산이 흩트림과 손실을 유발할 수 있다.
• β_FN × (N_p / hL)의 곱이 전기장 발사를 최소화하는 데 핵심 제어 매개변수로 규명되었으며, 이는 설계 최적화가 가능함을 시사한다.