[论文解读] Energy Deposition along The Helical Undulator at ILC-250GeV

Khaled Alharbi, Sabine Riemann+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 8被引用 1

一句话总结

本研究采用解析方法与HUSR模拟方法，分析了ILC-250GeV正电子源中超导螺旋型波荡器内同步辐射引起的功率沉积。结果表明，将4.4 mm孔径的光子屏蔽罩以14.538 m间距放置，可将壁面峰值功率沉积从18.5 W/m降低至0.022 W/m，确保符合1 W/m的安全限值。

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.

研究动机与目标

• 量化相对论性电子束通过时，波荡器壁面因同步辐射引起的功率沉积。
• 评估使用光子屏蔽罩将壁面功率沉积降低至1 W/m安全阈值以下的可行性。
• 确定作用于屏蔽罩的光子能量与通量分布，以优化材料与几何结构设计。
• 比较解析方法与HUSR模拟结果在理想波荡器条件下的准确性。
• 为未来研究非理想波荡器效应及部分光子吸收影响奠定基础。

提出的方法

• 基于相对论性同步辐射理论，采用螺旋型波荡器辐射的角向功率分布解析公式。
• 应用HUSR C++代码模拟光子能谱与功率沉积，并与解析计算结果进行验证。
• 追踪128 GeV电子束通过132个波荡器模块，每个模块长1.75 m，K=0.85，周期11.5 mm。
• 通过解析方法计算所有模块的总能量沉积，并与HUSR对首个模块的结果进行对比。
• 建模4.4 mm孔径的光子屏蔽罩，以14.538 m间距置于四极磁铁后方，用于屏蔽波荡器壁面。
• 分析最后一个屏蔽罩上的径向功率分布与能量谱，以指导材料选择与屏蔽设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 首个波荡器模块和全长231 m波荡器的壁面峰值功率沉积分别为多少？
• RQ2 4.4 mm光子屏蔽罩在将壁面功率沉积降低至1 W/m以下方面效果如何？
• RQ3 作用于最后一个光子屏蔽罩的光子能量谱与径向功率分布如何？
• RQ4 在波荡器壁面功率沉积方面，解析方法与HUSR模拟结果的对比结果如何？
• RQ5 非理想波荡器参数与部分光子吸收对屏蔽罩设计有何影响？

主要发现

• 首个波荡器模块的峰值功率沉积约为1.10 W/m。
• 在无屏蔽罩情况下，132个模块的总功率沉积达18.5 W/m。
• 4.4 mm孔径的光子屏蔽罩可将峰值壁面功率沉积降低至0.022 W/m。
• 作用于最后一个屏蔽罩的最大光子能量达11 MeV，平均能量为1.93 MeV。
• 最后一个屏蔽罩上的径向功率分布峰值位于2.2 mm半径处，向2.925 mm半径处显著下降。
• 作用于最后一个光子屏蔽罩的总入射功率约为335 W，需采用坚固的热与辐射屏蔽设计。