[论文解读] Application of bent crystals at IHEP 70-GeV accelerator to enhance the efficiency of its usage

V.I. Kotov, A. G. Afonin+14 more|ArXiv.org|Oct 31, 2001

Crystallography and Radiation Phenomena被引用 7

一句话总结

该论文展示了在中科院高能物理所70-GeV U-70加速器上成功使用弯曲硅晶体实现高效多圈束流提取，利用3 mm厚、0.9 mrad弯曲角的晶体，实现了高达4×10¹¹个质子/束流的提取，效率达65%。该系统在27天内累计辐照剂量达10²⁰质子/cm²，期间晶体性能无明显退化，成功支持了四个实验同时运行，包括K±介子衰变研究和次级束流生成。

ABSTRACT

Bent crystal was extracting 70-GeV protons with average intensity 4*10^11 (as measured in external beamline) per spill of 1.6 s duration, in parallel to the simultaneous work of two internal targets in the accelerator ring. An additional crystal, placed in the external beamline, was deflecting a small part of the extracted beam with intensity 10^7 protons toward another physics experiment. Crystal-extracted beam had a typical size of 4 mm by 4 mm fwhm at the end of the external beamline. Measurements for the extraction efficiency and other characteristics at the simultaneous work of four experimental set-ups are presented. With crystal working in the above-said regime during one month, no degradation of channeling was observed. The studies of extraction efficiency have been continued with new crystals.

研究动机与目标

• 在中科院高能物理所70-GeV加速器上开发并演示一种基于弯曲硅晶体的高效多圈束流提取方法。
• 通过弯曲晶体提取束流，同时维持内部靶实验运行，实现多个物理实验的并行运行。
• 评估弯曲晶体在真实加速器环境中高强束流辐照下的长期稳定性和性能表现。
• 探索使用更短、高度弯曲晶体以进一步提升提取效率的可行性。

提出的方法

• 在U-70加速器环的第19号和第106号直线段安装了弯曲角为0.5–2 mrad的弯曲硅晶体。
• 采用闭环运行的局部轨道畸变系统，精确引导束流对准晶体。
• 通过截留磁铁（OM-20和OM-24）实现束流提取，分别对应8 mm和2.5 mm的分区厚度。
• 一个次级晶体（Si30，约9 mrad弯曲角）将少量束流（约10⁷个质子/周期）偏转至独立的束流线，用于额外实验。
• 通过比较打到晶体上的束流比例与实际提取强度来测量提取效率，测量精度约为4%。
• 通过重复测量效率和束流尺寸表征（束流线末端为4 mm × 4 mm FWHM），对晶体性能进行了27天的持续监测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在70-GeV质子加速器中，使用弯曲硅晶体可实现的最高束流提取效率是多少？
• RQ2 弯曲晶体能否在不降低性能的前提下，实现对多个实验的并行束流提取？
• RQ3 在高束流强度下长期辐照条件下，弯曲晶体的导向特性稳定性如何？
• RQ4 使用更短、更高度弯曲的晶体是否可使提取效率超越当前水平？

主要发现

• 3 mm厚、0.9 mrad弯曲角的晶体在20%的入射束流比例下实现了65%的束流提取效率。
• 5 mm厚、1.5 mrad弯曲角的晶体在相同束流比例下实现了42%的提取效率。
• 在27天内，Si19晶体累计承受约10²⁰质子/cm²的辐照剂量，提取效率无明显退化（初始为44±2%，最终为43±2%）。
• 提取束流在外部束流线末端的典型尺寸为4 mm × 4 mm FWHM，适用于后续实验。
• 模拟结果表明，采用更短（如1 mm或更短）且具有优化弯曲轮廓的晶体可进一步提高提取效率。
• 该系统成功实现了四个实验的并行运行：两个内部靶（IT24、IT27）和两个外部束流线（22、23），包括K±介子衰变研究。