[论文解读] A study of RHIC crystal collimation

D. Trbojević, Biryukov, V. M.+6 more|ArXiv.org|Nov 7, 2001

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 7被引用 11

一句话总结

本文提出在RHIC主准直器上游使用弯曲硅单晶，以提高重离子束的准直效率。通过晶体诱导的偏转使高振幅粒子被偏转，该方法减少了对精确刀口对准的需求，并降低了关键孔径处的束流损失，当准直器设置在5σ时，环路损失降低了99.43%，与标准准直相比显著降低了探测器本底。

ABSTRACT

The Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) will experience increasing longitudinal and transverse heavy ion emittances, mostly due to intra-beam scattering (IBS). The experiments in RHIC are expected to not only have reduced luminosities due to IBS but also an unwanted beam halo. Primary betatron collimators will be used to remove the large amplitude particles. The efficiency of the primary collimator in RHIC depends very much on the alignment of the jaws which needs to be within few micro-radians for the best conditions. As proposed by V. Biryukov bent crystals could be used to improve the efficiency of an existing collimation system by installing them upstream of the collimator jaws. Bent crystals have been successfully used in SPS, Protvino and Fermilab for extraction of the beam particles channeled through them. This study examines possible improvements of the primary collimator system for heavy ions at RHIC by use of bent crystals. Bent crystals will reduce the collimator jaws alignment requirement and will increase collimator efficiency thereby reducing detector background.

研究动机与目标

• 为应对由于束内散射（IBS）及其他效应引起的RHIC束流发射度增加和束晕形成问题。
• 减少在高β四极磁铁处因束流损失导致的PHENIX和STAR探测器中的本底噪声。
• 通过用弯曲晶体偏转替代对精确刀口对准的依赖，提高准直效率。
• 评估使用弯曲单晶作为重离子主要准直增强手段的可行性。

提出的方法

• 模拟了195,288个金-197离子（γ = 108.4）通过1厘米长、1毫弧度弯曲的硅（110）晶体的传输过程。
• 利用SPS-CERN的数据建立相空间分布，以模拟超过5σx的扩散诱导振幅增长。
• 通过RHIC磁铁 lattice 模拟粒子传输，主准直器位于晶体下游7.68米处。
• 评估关键环路位置的损失情况，包括β* = 1–2米的三重磁铁区域，比较标准准直与晶体辅助方案。
• 通过分析粒子在晶体出口处水平相空间中的斜率和位置，评估偏转效率。
• 采用单次通过模拟而非完整的多转跟踪，未来计划进行多转分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 弯曲晶体能否有效偏转高振幅重离子，从而减少在RHIC中对主准直器刀口精确对准的需求？
• RQ2 与标准两阶段准直相比，晶体辅助准直在环路损失分布方面表现如何？
• RQ3 晶体偏转对束流损失位置（尤其是高孔径限制的四极磁铁附近）有何影响？
• RQ4 晶体准直在多大程度上可减少PHENIX和STAR探测器中的本底噪声？

主要发现

• 当主准直器设置在5σx时，晶体准直方案的环路损失降至0.00%，而标准准直设置下为5.10%。
• 当准直器开启时，晶体辅助准直将总环路损失降低至2.66%，而标准情况为12.11%。
• 绝大多数被偏转的粒子均被通道化，平均偏转角约为1毫弧度，这由输入粒子与通道化粒子之间的斜率差异体现。
• 相空间斜率超过-1.15毫弧度的粒子未被通道化，导致损失，尤其在第一个下游四极磁铁和高β区域。
• 在IR区域附近的高聚焦四极磁铁处的损失显著减少，这直接降低了探测器本底。
• 模拟结果表明，弯曲晶体可有效作为预准直器，使主准直器转变为效率更高的二级准直器。