[论文解读] On Field Emission in High Energy Colliders Initiated by a Relativistic Positively Charged Bunch of Particles

B. B. Levchenko|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2006

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 67被引用 7

一句话总结

本文分析了高能对撞机中导电表面在强相对论性正电子和质子束 train 作用下的场致发射，特别针对大型强子对撞机（LHC）和国际线性对撞机（ILC）。基于改进的 Fowler-Nordheim 理论，研究发现当场发射产额较高（例如 β_FN > 300）或束流参数极端时（例如 LHC-0/1 情况），电子发射可能在电子云形成中占主导地位，从而导致束流损失和潜在的设备损坏。

ABSTRACT

The design of the LHC and future colliders aims their operation with high intensity beams, with bunch population, $N_p$, of the order of $10^{11}$. This is dictated by a desire to study very rare processes with maximum data sample. HEP colliders are engineering structures of many kilometers in length, whose transverse compactness is achieved by the application of the superconducting technologies and limitations of cost. However the compactness of the structural elements conceals and potential danger for the stable work of the accelerator. This is because a high intensity beam of positively charged particles (protons, positrons, ions) creates around itself an electric self-field of very high intensity, $10^5 - 10^6$ V/cm. Being located near the conducting surfaces, at the distances of 1-20 mm away from them, the field of such bunches activates the field emission of electrons from the surface. These electrons, in addition to electrons from the ionization of residual gases, secondary electrons and electrons knocked out by synchrotron radiation, contribute to the development of a dense electron cloud in the transport line. The particles of the bunch, being scattered on the dense electron cloud with $N_e\sim N_p$, leaves the beam and may cause noticeable damage. The paper presents an analysis of the conditions, under which the field emission in the LHC collimator system may become a serious problem. The analogous analysis of a prototype of the International Linear Collider (ILC) project, USLC, reveals that a noticeable field emission will accompany positron bunches on their entire path during acceleration.

研究动机与目标

• 评估高强度对撞机环境中场致发射的风险，特别是 LHC 捕获器系统和 ILC 原型中的情况。
• 确定在何种束流和表面条件下，场致发射会成为主导电子源，超过电离和二次发射。
• 评估由场致发射驱动的电子云积聚导致的束流扰动和结构损坏的潜在风险。
• 量化场致发射电流对表面特性（β_FN）和束流参数（N_p，束长，距表面距离）的依赖关系。

提出的方法

• 将 Fowler-Nordheim（F-N）场致发射理论进行改进，以包含非零温度效应和大面积阴极，而不仅限于理想点阴极。
• 利用相对论偶极子模型计算相对论性带电束流产生的电场，考虑洛伦兹收缩及表面附近的场增强效应。
• 将改进的 F-N 理论与束流参数（束团粒子数 N_p ~ 10^11，束长 ~ 100 fs）和表面场增强因子（β_FN）相结合。
• 通过在束管和捕获器间隙中建模电子倍增链和自场效应，评估电子云动力学。
• 使用来自相对论偶极子的电场解析表达式（公式 A-7 至 A-11）来模拟束管和捕获器附近电场分布。
• 将场致发射电流密度与已知电子源（电离、二次发射）进行比较，以评估在 LHC 和 ILC 条件下的主导性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，场致发射会成为 LHC 捕获器系统中电子的主要来源？
• RQ2 在 LHC 和 ILC 中，场致发射电流如何随束流强度（N_p）和束团长度变化？
• RQ3 场增强因子 β_FN 的临界值是多少，使得场致发射从可忽略转变为严重的运行问题？
• RQ4 场致发射在高能对撞机中对电子云形成和束流损失的贡献程度如何？
• RQ5 在极端束流条件下，场致发射是否可能导致加速器部件的电击穿或表面损伤？

主要发现

• 当 β_FN > 300 时，场致发射电流变得显著，并可能在 LHC 捕获器系统中主导电子云形成。
• 在 LHC-0/1 情况下（束长缩短一倍，N_p 提高 1.48 倍），与标准 LHC-n 情况相比，β_FN = 200 时场致发射电流增加了 14 个数量级。
• 在高 β_FN 和高强度束流参数下，电子发射可能导致真空中电击穿，并引起捕获器刀片的显著加热。
• 由于强烈的正电子束流，在 ILC 原型的整个加速路径上，场致发射预计将持续构成问题。
• 场致发射产生的电子云密度可达到 N_e ~ N_p，从而引发束流散射和损失，尤其在紧凑、高场强区域更为显著。
• 识别出 β_FN × (N_p / hL) 为控制场致发射的关键参数，表明可通过设计优化实现抑制。