[論文レビュー] Electron cloud experiments at Fermilab: Formation and mitigation

R. Zwaska|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2012

Electron and X-Ray Spectroscopy Techniques被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブのメインインジェクタで実施された電子クラウド形成および低減に関する実験的研究を提示する。主な焦点は、低二次電子発生率（SEY）材料としての窒化チタン（TiN）被膜の評価である。リターディングフィールドアナライザー（RFA）を用いて、電子クラウドエネルギースペクトルとSEYの時間的変化を測定し、TiNが電子クラウド密度を低減し、電子フラクエンスの増加に伴い条件付け効果を示すことを実証した。これは、将来の高強度加速器（例：プロジェクトX）への応用を支持するものである。

ABSTRACT

We have performed a series of experiments at Fermilab to explore the electron cloud phenomenon. The Main Injector will have its beam intensity increased four-fold in the Project X upgrade, and would be subject to instabilities from the electron cloud. We present measurements of the cloud formation in the Main Injector and experiments with materials for the mitigation of the Cloud. An experimental installation of Titanium-Nitride (TiN) coated beam pipes has been under study in the Main Injector since 2009; this material was directly compared to an adjacent stainless chamber through electron cloud measurement with Retarding Field Analyzers (RFAs). Over the long period of running we were able to observe the secondary electron yield (SEY) change and correlate it with electron fluence, establishing a conditioning history. Additionally, the installation has allowed measurement of the electron energy spectrum, comparison of instrumentation techniques, and energy-dependent behavior of the electron cloud. Finally, a new installation, developed in conjunction with Cornell and SLAC, will allow direct SEY measurement of material samples irradiated in the accelerator.

研究の動機と目的

• フェルミラブのメインインジェクタにおける高強度ビーム条件下での電子クラウド形成を調査すること。
• 二次電子発生率（SEY）の低減によって電子クラウド効果を低減するため、窒化チタン（TiN）被膜の有効性を評価すること。
• ビーム露出下でのSEYおよび電子クラウドエネルギースペクトルの時間的変化を測定すること。
• リターディングフィールドアナライザー（RFA）を用いて、TiN被膜ビームパイプと標準ステンレス鋼チャンバを直接比較すること。
• 加速器環境で放射された材料のインサイト測定を可能にする新規実験セットアップの開発および導入

提案手法

• リターディングフィールドアナライザー（RFA）を用いて、メインインジェクタで長期間にわたる電子クラウド測定を実施し、電子エネルギースペクトルとクラウド密度を特徴付ける。
• 標準ステンレス鋼セクションと隣接するTiN被膜ビームパイプセクションを設置・モニタリングし、直接比較を行う。
• 電子フラクエンス関数としての二次電子発生率（SEY）の変化を測定し、材料の条件付け効果を評価する。
• SEYの変化とビーム運用履歴、電子フラクエンスの相関をとることで、表面改質効果の理解を深める。
• コロンビア大学およびSLACと共同で開発した新規実験セットアップを用い、加速器環境に露出された材料試料の直接SEY測定を実施する。
• 測定機器の性能および電子クラウドのエネルギー依存的挙動を比較するためのデータ解析手法を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メインインジェクタでの長期間のビーム露出下において、TiN被膜ビームパイプの二次電子発生率（SEY）はどのように変化するか？
• RQ2 TiN被膜と標準ステンレス鋼ビームパイプの間で、相対的な電子クラウド密度およびエネルギースペクトルはどのように異なるか？
• RQ3 電子フラクエンスがTiN表面のSEYに及ぼす影響はどの程度で、電子クラウド形成にどのように影響するか？
• RQ4 リターディングフィールドアナライザー（RFA）のような異なる測定技術は、実加速器条件下での電子クラウド特性測定において、どのように比較されるか？
• RQ5 稼働中の加速器環境で放射された材料のインサイトSEY測定は、電子クラウド低減戦略のための信頼できるデータを提供できるか？

主な発見

• TiN被膜ビームパイプは、標準ステンレス鋼と比較して顕著なSEY低減を示し、効果的な電子クラウド低減が実証された。
• 時間の経過とともに、TiN表面のSEYは電子フラクエンスの増加に伴い低下し、表面が安定化し、電子増幅が低減する条件付け効果が示された。
• リターディングフィールドアナライザー（RFA）による電子クラウド測定では、TiNとステンレス鋼セクション間で明確なエネルギースペクトルおよび密度差が確認され、低減効果が裏付けられた。
• 長期運用により、SEYの変化とビーム履歴の相関がとられ、実加速器条件下での表面条件付けに関する実証的データが得られた。
• 新規のインサイトSEY測定セットアップにより、加速器内での材料試料の直接露出および測定が可能となり、電子クラウド低減材料の検証に新たな手法が提供された。
• 測定機器の比較により、RFA測定が電子クラウドエネルギー分布の特徴付けおよびクラウド行動の定量的分析に有効であることが示された。