[论文解读] Electron cloud in the CERN accelerators (PS, SPS, LHC)

Giovanni Iadarola, G. Rumolo|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用 7

一句话总结

本文研究了欧洲核子研究中心（CERN）的PS、SPS和LHC加速器中电子云效应，特别是在紧密间隔束团运行条件下的表现。通过实验测量与模拟，识别出电子云形成为束团不稳定、束团发射度增长及热负荷的主要来源，并证明刮擦电极和清除电极可有效抑制这些效应，尤其在SPS和LHC采用25ns束团列车时效果显著。

ABSTRACT

Several indicators have pointed to the presence of an Electron Cloud (EC) in some of the CERN accelerators, when operating with closely spaced bunched beams. In particular, spurious signals on the pick ups used for beam detection, pressure rise and beam instabilities were observed at the Proton Synchrotron (PS) during the last stage of preparation of the beams for the Large Hadron Collider (LHC), as well as at the Super Proton Synchrotron (SPS). Since the LHC has started operation in 2009, typical electron cloud phenomena have appeared also in this machine, when running with trains of closely packed bunches (i.e. with spacings below 150ns). Beside the above mentioned indicators, other typical signatures were seen in this machine (due to its operation mode and/or more refined detection possibilities), like heat load in the cold dipoles, bunch dependent emittance growth and degraded lifetime in store and bunch-by-bunch stable phase shift to compensate for the energy loss due to the electron cloud. An overview of the electron cloud status in the different CERN machines (PS, SPS, LHC) will be presented in this paper, with a special emphasis on the dangers for future operation with more intense beams and the necessary countermeasures to mitigate or suppress the effect.

研究动机与目标

• 表征在高强度、紧密间隔束团运行条件下，CERN的PS、SPS和LHC中电子云的形成机制。
• 识别LHC和SPS中因电子云效应导致的束团不稳定、发射度增长和热负荷增加的根本原因。
• 评估诸如束团刮擦和清除电极等缓解策略在降低电子云密度方面的有效性。
• 通过实验验证模拟模型，确定真空腔室材料的表面特性（二次电子发射系数δ_max和反射率R_0）。
• 在考虑电子云限制的前提下，评估LHC注入器升级项目（LIU）背景下未来高强度束团运行的长期可行性。

提出的方法

• 在PS加速器中，于50ns和25ns束团间距的束流周期内，使用屏蔽并偏置的拾取电极进行时间分辨的电子云测量。
• 在SPS中开展了2002–2007年的专项刮擦运行，通过电子云粒子轰击腔壁以降低二次电子发射系数（SEY）。
• 采用HEADTAIL模拟方法模拟束团动力学，并预测在不同色散度和电子云条件下的稳定性。
• 通过将预测的电子云密度和热负荷与实测数据匹配，校准模拟模型，尤其在LHC的冷弯磁铁中进行了验证。
• 通过多次MD（机器调试）会话中的BSRT测量束团逐束发射度，追踪不同束流填充下电子云的演化过程。
• 通过改变束流参数（束团间距、强度、长度），利用反向建模方法分离依赖关系并提取表面特性参数（δ_max, R_0）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在PS和SPS中，电子云的形成如何依赖于束流参数（如束团间距、强度和长度）？
• RQ2 束团刮擦在SPS和LHC中能在多大程度上降低二次电子发射系数并抑制电子云增长？
• RQ3 电子云对LHC中束团发射度增长和束团寿命有何影响，特别是在25ns束团列车条件下？
• RQ4 色散度设置如何影响由电子云效应引发的横向不稳定性的发生与增长？
• RQ5 模拟模型能否准确预测LHC中的电子云密度和热负荷？为匹配实验数据，需要哪些表面参数（δ_max, R_0）？

主要发现

• 在PS中，电子云主要在束流生成的最后40–50 ms内形成，与束团压缩和快速旋转同步，且可通过施加清除电压得到抑制。
• 经过多次刮擦运行后，SPS中的电子云效应显著降低，对50ns或标准25ns束流无有害影响。
• 在LHC中，25ns束流表现出持续的发射度增长和不稳定性，需采用高色散度（Q′_x,y ≈ 15）以稳定束流，表明电子云效应仍在持续发生。
• 束团逐束发射度测量显示，从10月14日至10月25日期间，束流质量明显改善，每批的前两三个束团表现出最小的发射度增长。
• LHC冷弯磁铁中的热负荷测量与模拟结果匹配良好，由此提取出真空腔表面的参数为δ_max ≈ 1.45和R_0 = 0.7。
• 在高色散度条件下，电子云效应在水平方向表现更显著，表明当色散度降低时，系统可能从非相干增长转变为快速不稳定性。