[论文解读] Final Muon Emittance Exchange in Vacuum for a Collider

D. J. Summers, J. G. Acosta+6 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2015

Muon and positron interactions and applications被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种在真空中利用四极子双极聚焦和短吸收体实现末段μ子发射度交换的方法，以获得亚毫米级横向束流尺寸，这是μ子对撞机所必需的。通过将一个μ子束团分割为17个部分，利用射频偏转腔实现交错排列，并在21 GeV的环中将它们重新汇聚成单个束团，该方法实现了13%的μ子衰变损失和87%的填充因子，且归一化发射度被转换为(0.025, 0.025, 70) mm-rad。

ABSTRACT

We outline a plan for final muon ionization cooling with quadrupole doublets focusing onto short absorbers followed by emittance exchange in vacuum to achieve the small transverse beam sizes needed by a muon collider. A flat muon beam with a series of quadrupole doublet half cells appears to provide the strong focusing required for final cooling. Each quadrupole doublet has a low beta region occupied by a dense, low Z absorber. After final cooling, normalized xyz emittances of (0.071, 0.141, 2.4) mm-rad are exchanged into (0.025, 0.025, 70) mm-rad. Thin electrostatic septa efficiently slice the bunch into 17 parts. The 17 bunches are interleaved into a 3.7 meter long train with RF deflector cavities. Snap bunch coalescence combines the muon bunch train longitudinally in a 21 GeV ring in 55 microseconds, one quarter of a synchrotron oscillation period. A linear long wavelength RF bucket gives each bunch a different energy causing the bunches to drift until they merge into one bunch and can be captured in a short wavelength RF bucket with a 13% muon decay loss and a packing fraction as high as 87%.

研究动机与目标

• 实现高亮度μ子对撞机所必需的超小横向束流发射度。
• 解决末段μ子离子化冷却中的挑战，实现最小发射度增长和高效率。
• 在最终冷却后实现有效的束团压缩与汇聚，以最大化对撞机亮度。
• 最小化在末段束团压缩与捕获过程中的μ子衰变损失。
• 开发一种基于现有射频和磁性组件的、实用且可扩展的真空内末段发射度交换方案。

提出的方法

• 利用包含高密度、低原子序数吸收体的四极子双极半单元结构，在末段离子化冷却期间提供强聚焦。
• 采用薄型静电分隔壁将单个μ子束团分割为17个横向分离的部分。
• 利用射频偏转腔将17个束团交错排列成长度为3.7米的束团序列，且纵向间距可控。
• 应用线性长波长射频阱，引入能量差异，使束团发生漂移并合并为单个束团。
• 将汇聚后的束团捕获在短波长射频阱中，以最小损失稳定最终束流。
• 在真空中执行发射度交换，以避免残余气体相互作用导致的束流退化。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能有效在真空中执行末段μ子发射度交换以保持束流质量？
• RQ2 在21 GeV环中，束团汇聚过程的可实现填充因子和衰变损失是多少？
• RQ3 单个μ子束团能否高效地被分割、交错排列并重新组合为单个高密度束团？
• RQ4 在最终冷却和真空发射度交换后，可实现的发射度值是多少？
• RQ5 射频偏转与能量啁啾的结合是否能实现稳定、高效的束团汇聚并实现最小损失？

主要发现

• 采用四极子双极结构与短吸收体的最终冷却，可在x、y和z方向上实现归一化发射度(0.071, 0.141, 2.4) mm-rad。
• 发射度交换将这些值转换为(0.025, 0.025, 70) mm-rad，显著降低了横向发射度，使其适用于对撞机兼容性要求。
• 17束团交错序列在55微秒内汇聚为单个束团，相当于四分之一次同步振荡周期。
• 在短波长射频阱中实现的瞬态束团汇聚导致13%的μ子衰变损失，该损失水平对实际对撞机运行可接受。
• 填充因子最高可达87%，表明对可用束流强度实现了高效利用。
• 该方案证明了基于真空的发射度交换在高精度和最小束流退化方面的可行性。