[论文解读] Undulator-Based Positron Source at 250 GeV CM Energy with Different Optical Matching Devices: Pulsed Flux Concentrator and Quarter Wave Transformer

Andriy Ushakov, Gudrid Moortgat‐Pick+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 8被引用 5

一句话总结

本研究评估了在国际线性对撞机（ILC）250 GeV质心系能量下，使用螺旋形波荡器配合两个光学匹配装置（脉冲通量集中器（FC）和四分之一波变压器（QWT））作为正电子源的可行性。尽管FC的峰值能量沉积达33.3 J/g，超过铜的极限，但QWT可将其降低至7 J/g，并通过适度提高K值至0.85，实现安全、高产额的正电子源，正电子产额达1.5 e+/e−，年辐射损伤为0.12 dpa/年。

ABSTRACT

In the baseline design of the International Linear Collider (ILC) an undulator-based source is foreseen for the positron source. In this study the energy deposition in the pulsed flux concentrator (FC) of positron source is calculated for the ILC at 250 GeV center-of-mass energy. The peak energy of 33 J/g deposited by one beam pulse in the current design of the FC is above the limit for copper material. Several promising options were considered to solve the issue of overheating the FC: the quarter wave transformer (QWT) has a significantly bigger aperture and is considered as an valuable and safe alternative for the FC. Since the positron source with a QWT is expected to lead to a lower positron capture efficiency, also the expected positron yield was calculated in addition to the energy deposition in QWT.

研究动机与目标

• 评估在250 GeV质心系能量下，基线脉冲通量集中器（FC）在正电子源中面临的热与辐射挑战。
• 评估将FC替换为四分之一波变压器（QWT）作为更安全替代方案的可行性，因其具有更高的热极限。
• 确定使用QWT实现1.5 e+/e−正电子产额所需的波荡器K值及束流参数。
• 在相同ILC 250 GeV条件下，比较FC与QWT配置下的正电子捕获效率与能量沉积。

提出的方法

• 使用基于Geant4的PPS-Sim计算正电子产额，考虑ILC阻尼环接受度（±3.4 cm × ±37.5 MeV纵向，70 mm·rad横向发射度）。
• 基于FLUKA的模拟评估FC与QWT组件中的能量沉积与辐射损伤。
• 利用束流参数（125 GeV驱动束流，每脉冲1312个束团，重复频率5 Hz，波荡器长度231 m）模拟FC与QWT中的能量沉积分布。
• 优化参数，包括将靶厚度减少至7 mm，采用紧凑电子弯轨以缩短波荡器到靶的距离，以及在捕获加速器处应用束团长度截断。
• 评估第一级QWT螺线管磁场（从0.4 T至2.2 T）变化对正电子产额的影响，并确定约1.4 T为最优磁场强度。
• 通过原子位移损伤（dpa）评估QWT中的辐射损伤，估算5000小时运行后峰值损伤为0.12 dpa。

实验结果

研究问题

• RQ1 在250 GeV质心系能量下，峰值能量沉积达33.3 J/g的脉冲通量集中器（FC）是否能在热极限范围内运行？
• RQ2 四分之一波变压器（QWT）是否可作为热性能更优的替代方案，实现显著更低的峰值能量沉积？
• RQ3 在250 GeV质心系能量下，使用QWT实现1.5 e+/e−正电子产额所需的波荡器K值是多少？
• RQ4 在优化条件下，FC与QWT配置下的正电子捕获效率如何比较？
• RQ5 QWT的年辐射损伤水平是多少？是否在安全运行限值内？

主要发现

• 脉冲FC的峰值能量沉积为33.3 J/g，超过铜的安全极限（7–12 J/g），表明存在热失效风险。
• 将靶厚度减少至7 mm并采用紧凑电子弯轨后，FC的峰值能量沉积降低至25.5 J/g，但仍高于铜的极限。
• QWT将铁轭中的峰值能量沉积降低至7 J/g，远低于ARMCO纯铁（12.5 J/g）的极限，使其成为热性能可行的替代方案。
• 当波荡器K值提高至0.85时，1.04 T的QWT磁场可实现1.5 e+/e−的正电子产额，性能与FC相当。
• QWT的峰值年辐射损伤估计为0.12 dpa，远低于0.5 dpa的阈值，表明长期运行安全。
• QWT的更大孔径（11 mm vs. 6.5 mm）和更低的能量沉积密度显著提升了其热与机械鲁棒性，优于FC。