Проблемы финальной фокусировки пучков линейных коллайдеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера

РГБ ОД

3 1 СП! 1531

На правах рукописи

СЕРЫЙ Андрей Анатольевич

ПРОБЛЕМЫ ФИНАЛЬНОЙ ФОКУСИРОВКИ ПУЧКОВ ЛИНЕЙНЫХ КОЛЛАЙДЕРОВ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.

В настоящее время дальнейшее развитие представлении о природе и построение физической картины мира йевозмбжно без изучения свойств элементарных частиц и юсвзаимодействий. Значите льныйпрогресс, достигнутый в этой .области, был во многом-обусловлен применением: в качестве инструмента исследованияускорителяэлемент&рных частиц со встречными пучками.

Исследование свойств взаимодействий элементарных частиц на все более мелких масштабах требует увеличения энергий сталкивающихся пучков. Оказывается, что для традиционных кольцевых ускорителей электронов дальнейшее увеличение энергии приводит к быстрому росту потерь на синхротронноё излучение, что ограничивает достижимую энергию. Существенное увеличение энергии столкновений может быть получено только при использовании метода Встречных Линейных Электрон-Позитронных Пучков (ВЛЭПП).

. Один из самых важных с точки зрения использования параметр ко л-лайдера это его светимость, произведение которой на сечение процесса дает число событий в единицу времени. Чтобы иметь возможность изучать новые процессы в тэвном диапазоне энергий, величина светимости должна: составлять, около 1033 см~2-сек-1:

Светимость линейных коллайдеров равна Ь = /Лг2/(47гсггсг!/), где / - частота повторения, N - число частиц в сгустке, ах и <ту - -поперечные -среднеквадратичные размеры сгустков. Произведение частоты повторения на число частиц в сгустке пропорционально потребляемой мощности, которая, должна быть ограничена, поэтому высокая светимость достигается при использовании интенсивных сгустков с малым фазовым объемом и фокусировкой их в месте встречи в пятно субмикронных размеров.

Достижение высокой светимости требует сильной фокусировки пучка перед столкновением. Эта задача решается специальной системой финальной фокусировки (СФФ), которая должна уменьшить сечение пучка, в несколько тысяч раз по. сравнению с сечением на выходе из ускорителя. Серьёзной трудностью при фокусировке пучка является наличие у него энергетического разброса, поэтому должна быть применена специальная оптическая, схема с компенсирующими элементами.

Плотные сгустки малого размера, сталкиваясь в месте встречи, приводят к-лоявлению большого числа частиц, отклоненных на большие углы. Потому конструкция системы фокусировки вблизи места встречи должна обеспечивать приемлемые фоновые условия. .

; с финальная фокусировка, пучков линейных коллайдеров требует создания сверхсильных малоапертурных фокусирующих линз. Для таких линз неприменимы традиционные способы определения их параметров и должны быть рассмотрены новые методы измерения распределения по-

Основные результаты работы, выносимые на защиту.

1. Рассмотрены проблемы финальной фокусировки пучков линейных коллайдеров. ■...,...

• Выбраны параметры систем финальной фокусировки ВЛЭППа, необходимые для достижения высокой светимости.

• Представлены различные варианты систем финальной фокусировки для ВЛЭППа, в том числе СФФ с большим энергетическим акцеп-тансом.

• Предложен вариант системы финальной фокусировки, обеспечивающий реализацию "бегущего фокуса" при столкновениях пучков.

• Определены,требования на ошибки параметров элементов СФФ.

2. Определены светимости столкновений пучков при различных режимах фокусировки. Рассмотрены требования к конструкции места встречи ВЛЭППа. • .

3. Рассмотрены проблемы создания финальных фокусирующих элементов.

• Приведена конструкция сверхсильной малоапертурной фокусирующей железной линзу для СФФ ВЛЭППа,.

• Предложен метод измерения распределения полей и нахождения магнитной оси для малоапертурных фокусирующих элементов.

• Представлены также результаты измерения полей в малоапертурной сверхсильной линзе, полученные с помощью предложенной методиКИ. .; / '

4. Рассмотрены проблемы динамической выставки систем финальной фокусировки.

• Рассмотрено влияние вибраций земли на работу линейного коллай-, дера и системы финальной фокусировки.

• Продемонстрирована возможность сохранения светимости с помощью выставки СФФ попучку с учетом реального движения земной поверхности.

• Проведено сравнение различных вариантов СФф с точки зрения возможности их выставки,■

• Определены требования на необходимые точность датчиков положения пучка и частоту повторения коррекций системой обратной связи.

коллаидера,

5. Рассмотрены проблемы фотон-фотонного варианта базирующегося на физике и технологии цроекта ВЛЭПП.

Определены условия достижения предельной светимости фотонных коллайдеров.- 1 ■

V • Представлены характеристики столкновения пучков фотонного кол-лайдера. ' • ;. ' ■ ' 1

• Предложен метод улучшения фоновых условий для фотонного кол-лайдера с предельно высокой светимостью.

, 6. Развитие методов,. фокусировки пучков позволило предложить план модификаций линейного ускорителя БЬС, который мог бы привести к увеличению его светимости на два порядка.

Таблица 1. Параметры вариантов ВЛЭПП 1 х 1 ТэВ и ■ 250 х 250 ГэВ

Энергия, ГэВ 2 х 1000 2 х 250

Длина, км 2 х 12 2 х 3.5

Светимость, см-2 сек-1 1-Ю34 1,2-1034

Частота повторения, Гц 150 300

Число частиц 1.3-1011 2-10й

Размеры сгустка аг, мм 0.75 0.75

&у, /ш 0.001 0.004

<тх, ¡мм 2 ' ' 2

Бета-функции (Зу, мм . 1 1

До мм 100 100

Частоты колебаний иу 1.8 (Д, = 140) 2.2 (Бу = 200)

Vх . 0,04 (Бх = 0.07) 0.1 (Юх ¿=0.4)

Квантовый параметр < Т > 0.16 0.06

Эмиттансы 7£у, м 2 • Ю-9 - " 8-ИГ9

7£х, м 8-Ю-5 - 2 -10~®

хротронное излучение частиц в поле встречного сгустка, ограничение глубины фокусировки из-за излучения в поле финальных линз, влияние на фокусировку энергетического разброса частиц пучка.

Для уменьшения потерь энергии частиц на излучение при столкновении нужно использовать плоские сгустки. Поэтому вертикальные эмиттанс пучка и бета-функция должны быть намного меньше горизонтальных.: Получение минимальных размеров сгустков требует наличия в месте встречи минимума бета-функции, поэтому обычно вертикальная бета-функция в фокусе выбирается примерно равной длине сгустка (кроме режима фокусировки для "бегущего фокуса").

V Сильная фокусировка осложняется конечным энергетическим раз-1 бросом 6 = Ар/р пучка. Например, хроматизм Последней линзы приводит к увеличению размера в фокусе Аа*/а* « 6 ^//3*, что для типичных параметров дает увеличение в десятки раз. Поэтому в СФФ необходимо компенсировать различие фокусировки частиц с разной энергией.

Другое ограничение фокусировки связано с синхротронным излучением частиц в поле финальной линзы. Возникший из-за излучения в поле линзы энергетический разброс приводит к тому, что частицы отклони- . ,ются этой, же линзой, на разный угол, что ведет к увеличению размеров сфокусированного сгустка. Показано, что для параметров ВЛЭППа это ограничение не работает, в то время как для некоторых других проектов этот эффект играет существенную роль. . ,,

; Метод компенсации хроматизма систем финальной фокусировки состоит в том, чтобы частицы с отклонением энергии 6 испытывали допол-

использован в пять-шесть раз больший эмиттанс, чтб позволяет снизить требования на выставку элементов линака и накопительных колец. Изменение положения фокуса во время столкновения будет обеспечйваться линейным изменением энергии вдоль сгустка и небольшой раскомпенса-: цией хроматизма. На рис.1 показана схема оптики для осуществления бегущего фокуса. Данная схема имеет в десять раз меньшую вертикальную бета-функцию ¡Зу = 0.1 мм, @х = 100 мм. На рис.2 показано изменение положения фокуса в зависимости от энергии пучка.

Размеры пучков в месте встречи ВЛЭППа очень малы, что ведет к необходимости рассмотрения требований на точность параметров (полей, градиентов) й стабильность положения элементов системы финальной фокусировки. Ограничения на стабильность положения линз рассмотрены для долговременных и быстрых ошибок (дрожание). Допуски на дрожгшйе линз для рассмотренных систем финальной фокусировки составляют от единиц до сотых долей микрона, а для финальных линз -несколько нанометров.

1 Во второй главе рассматриваются проблемы места встречи линейного коллайдера и пучок-пучковых взаимодействий при столкновении, поскольку эти проблемы существенно влцяют на конструкцию СФФ, возможность достижения высокой светимости и приемлемых фоновых условий. Приводятся расчеты светимости для столкновения в обычном режиме фокусировки и в режиме "бегущего фокуса". Рассматривается из-'лучение частиц при столкновении. Обсуждаются проблемы вывода от-I работанных пучков из детектора и определяемая ими конструкция СФФ вблизи места встречи. Кратко обсуждаются также фоновые условия, обусловленные вторичными частицами.

Результатом расчетов столкновений при обычном режиме фокусировки и в. режиме "бегущего фокуса" являются универсальные графики, позволяющие вычислить величину светимости для широкого диапазона параметров пучков. Для примера на рис.4 показана двумерная карта отношения Ь/Ь0 в зависимости, от /3*/сгг и от п0 для столкновения в ре-" жиме "бегущего фокуса". Здесь параметр /?*/<т2 характеризует фокусирующую систему, а параметр п0 характеризует пучок: п0 = л/р^/(21г), где Д, = £)(/?* = сгСветимость измеряется в единицах Ь0 , гдеХ„ - это идеальная светимость, если 0* равна аг. Полученные результаты »позволяют выбрать параметры СФФ для работы в режиме "бегущего фокуса" оптимальным образом. 7 1 .

Далее в этой главе рассматривается излучение частиц основных пучковое точки зреНия появления частиц с низкой энергией, поскольку Эти , частицы будут сильно отклоняться полем встречного пучка и отработанный пучок не сможет покинуть место встречи через апертуру финальной линзы встречной СФФ. Чтобы вывести этот пучок, не создавая дополнительного фона в детекторе, необходимо использовать столкновение под

: ■ • : И-- ; ' • ■

Для того, чтобы система финальнойфокусировкимогла фокусировать пучок в необходимые малые размеры, оптические элементы должны быть выставлены с высокой точностью. Допуски могут быть от нескольких микрон до нескольких нанометров. В то же'время сейсмическое движение земной поверхности приводит к быстрому разрушению Выставки, что делает бесперспективной попытку выставить элементы ускорителя раз и навсегда. Поэтому выставка может быть только динамической, постоянно работающей при работе ускорителя.

В этой главе представлены результаты моделирования динамической выставки трех вариантов систем финальной фокусировки. Для выставки СФФ был использован локальный алгоритм выставки по пучку (чтобы Выставить данную линзу используется информация с датчиков положения пучка только двух соседних линз). При моделировании дина-ч мической выставки СФФ использовалась модель диффузного движения земной поверхности согласно закону "ATL", по которому среднеквадратичное относительное смещение двух точек, расположенных на расстоя- \ нии L между ними за время Т равно л/АТL.

На рис.7 показан размер Лучка в фокусе до и после" включения динамической выставки для обычной схемы -СФФ. На рис.8 изображена зависимость вертикального размера в фокусе в зависимости от интервала времени между коррекциями для всех трех схем СФФ. Видно, что для обычной'СФФ достаточно иметь время между коррекциями At и 0.5ce.it, для схемы СФФ с бегущим фокусом надо иметь уже At « 0;1 сек, а для схемы СФФ с большим пропускаемым разбросом коррекции надо делать гораздо чаще, с At « 0.02сек.

Пятая глава посвящена проблемам достижения предельно высокой светимости для фотон-фотонного варианта коллайдера, базирующегося на физике и технологии проекта ВЛЭПП. Рассмотрены возможные параметры такого коллайдера. Приведены расчеты спектров светймостей, . фоновых условий, возможная конструкция места встречи. Предложен метод улучшения, фоновых--условий для такого коллайдера с предельно высокой светимостью. » - ' ,

* ч: Фотонный пучок высокой энергии может быть получен в результа- ' те обратного комптоновского рассёяния низкоэнергетичных фотонов на электронах. Для достижения высокой светимости фотонного коллайдера точка конверсии должна отстоять от места встречи на минимальное возможное расстояние (т.е. примерно на длину сгустка), что исключает возможность отвода электронных пучков после конверсии от места встречи ' с помощью внешнего поля, но, :темне менее, можно выбрать параметры пучков так, что собственное поле пучков будет велико настолько, чтобы препятствовать их столкновению. То есть подавление паразитных ее и , е7 светймостей для этого варианта коллайдера обеспечивается за счет эффектов встреч. 4

нужно, чтобы до столкновение (и до конверсии) головной участок длины (1 — 2) • аг/^рОу одного пучка был бы смещен вверх, а для встречного -, вниз. После конверсии форма электронного пучка будет воспроизведена пучком гамма-квантов, поэтому это даст подавление как ее, так и е'у светимостей.

Показано, что этот способ может дать значительное дополнительное уменьшение фоновых светимостей, тогда как основная 77 светимость почти не изменяется. При Бу » 1 этот способ дает полное подавление ее столкновений. Полное подавление е'у столкновений требует выполнения большего числа условий, в том числе Их < 1. Конечно, реальные фоновые светимости будут зависеть от деталей распределения частиц в пучках, от того, имеет ли пучок гало (поперечное и продольное). Тем не менее, этот способ, может значительно улучшить фоновые условия.

Для придания пучкам соответствующей формы можно использовать пучки, в которых энергия частиц коррелировала с продольной координатой и небольшую вертикальную дисперсионную функцию в месте встречи. Для более резкого смещения головы распределений энергии в сгустке и (или) дисперсия должны быть нелинейными. Например, можно создать дисперсию третьего порядка соответствующей настройкой оптики системы финальной фокусировки. Показанные на рис.10 факторы подавления фоновых ее и е7 светимостей вычислены для пучков с линейным изменением энергии вдоль сгустка, а вертикальная дисперсия процорцйональна кубу отклонения энергии, так что для частиц с координатой « = д/З сг2 отклонение достигает 5а*. Видно, что этот способ дает значительное уменьшение паразитных светимостей.

В заключении сформулировали основные результаты диссертационной работы, а также перечислены результаты, выносимые на защиту.

Развитие методов финальной фокусировки позволило предложить методы увеличения светимости линейного ускорителя ЭЬС (БЬАС, США), рассмотренные в Приложении. Реализация этих предложений могла бы привести к значительному (почти до 1032 см-2 сек-1, то есть более чем в' 100 раз) увеличению светимости БЬС. Предложение включает в себя модификацию существующей системы финальной фокусировки ЭЬС, переход от круглых к плоским сгусткам с малым £у, предотвращение роста вертикального фазового объема в арках БЬС, модернизацию накопитель-го-охладительных колец, а также частичное использование режима "бегущего фокуса" при столкновениях. . .

Новая СФФ для !ЗЬС рассмотрена в первом параграфе. Для нее I* = !.2 м и бета-функции в фокусе = 2 Мм,-/}* = 0.2 мм.

Работа коялайдера ЭЪС с пучком, имеющим малый вертикальный миттанс, требует специальных мер по сохранению эмиттансов пучка. )дна из проблем, препятствующая использованию пучков с малым вер-икальным эмиттансом, свкзана с арками 8ЬС,где вертикальный эмит-

. ' i, / . '■ v -у' 15 . ,.5-.'' ' ' ' '' ,

[2] Scry A.A. ' The VLEPP' Firial Föcus Status, in Proceedings of 3rd

, International Workshop On Next-Generation Linear Collider LC91, September 1991, Protvino, USSR, 1991, vol.3, issue 1, p.95-107. -<

|3] Alexandrov V.A., Mikhailitchenko A.A., Parkhomchuk Y.V., Sery A.A., Shiltsév V.D. Low Aperture Magnetic Element Measurements. Preprint ■ INP 91-70, Novosibirsk 1991.

[4] Серый A.A. Система Финальной Фокусировки ВЛЭППа. Препринт ЙЯФ 91-113, Новосибирск 1991.

[5] Balakin V.E., Sery A.A. SLC-II - Z-Factory. ( SLC Luminosity Upgrade Proposal }. Part I. New Final Focus for the 5ZC.; Final Focus and Interaction Region Workshop, SLAC Report 405, March 2-6, 1992, p.343-344; and Sery A.A. Upgraded Final Focus System for the SLC. Final Focus and Interaction Region Workshop, SLAC Report 405, March 2-6, 1992, p.343-344.

[6] Balakin V.E., Sery' A.A., Solyak N.A. SLC-II - Z-Factory (SLC Luminosity Upgrade Proposal) Branch INP Preprint 93-02, Protvino 1993. ' .

[7] Баклаков Б.А., Лебедев П.К., Пархомчук B.B., Токмаков В.А., Трапезников Н.Л., Серый A.A., Шильцев В.Д. Измерение Уровня Вибра-

' щий в Тоннеле УНК. Препринт ЙЯФ 90-88, Новосибирск 1990. •

[8] Баклаков Б.А., Лебедев П.К., Пархомчук В.В., Серый A.A., Слепцов А.И., Шильцев В.Д. Изучение Корреляционных и Мощностных Характеристик Колебаний Земной Поверхности в Районе Комплекса УНК. Препринт ИЯФ 91-15, Новосибирск, 1991.

[9] Balakin V.E., Juiavlev V.M., Sery A.A., Sleptsov A.I., VaJiaev Yu.D., Coosemans W., Rainseier G., Wilsori I„ Lawson-Chroco ' V.

- Measurements of Seismic Vibrations in the GERN TT2A Tunnel for

' Linear Collider Studies CERN-SL/93-30(RFL) and GLIC-Note-191, : Geneva, Juné 1993. , •

[10] Baklakov B.A., vLebedev P.K., Parkhomchuk V.V., Sery A.A., Sleptsov A.I., Shiltsev V.D. Investigation of Seismic Vibrations ana Relative Displacements of Linear Collider VLEPP Elements, in the proceedings of the РАС, May 6-9 1991 , v.5 p.p.3273-3i275.'

[11] Kushnirenko E.A., Mikhailichenko A.A., Spry A.A. Superconducting Final Focusing Quad for Linear Collider Preprint INP 92-35, Novosibirsk 1992.

[12] Sery A.A. The VLEPP Final Focus News Proc. of 4rd Intern. Workshop on Next-Gener. Linear Collider, Garinish, 1992, vol.2, p.502-503.

[13] .Scry A.A. Beam-Beam Simulations for VLEPP Proof. of .4rd Intern. Workshop on Next-Gener. Linear Collider, Garmish, 1992, vol.2, p.547-548. ^

[14] Серый А.А- Реализация и Сравнение .Различных Режимов Работы .Систем Финальцой Фокусировки Линейного Каллайдера Препринт Филиала ИЯФ 93-01, Протвино 1993.

/

, ТгауеМтд Госиз у|_ЕРР ТРЭ, /3*,х=0.1 тт,1 ООтт

-О.ОБ

0.03

200 ■ 300 з т 400 ,

Г ^ ■ ^ I '

0.00

Рис.1 Схем»'оптики для варианта системы финальной фокусировки с бегущим фокусом.

0.10 п

0.05 ^

о

-О

0.00

-0.05

-0.10

0.02' '—0.01 0.00.' ' 0.01 ' 'о 02

С1Р/Р .. . .

Рис.2 Положение фокуса в зависимости от энергии для варианта системы финальной фокусировки с бегущим фокусом. ,

16 я

12

\ 81

М А О 4

ш

-84 -12-16

х, ¿¿т

| |. <| | | |К1| | | |-| | | | | | | ) , | , , | , , | , | | | , , , , | , | | , | -2000, -1000 0 1000 2000

Рис.5 Распределение вертикального поля в модели железной линзы с апертурой 1 мм, измеренное для нескольких значений питающего тока.

, 300 п

Е,

^ 200 Я

(Л О

О

100 -

--------

Ж

I, А

® Т" 1 ' Ч П Ц I I I П I I | I [ И I | I I | | ц I I I I I И I 1 | I I И I I I II | и м М II и

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Рис.6 Измеренный градиент для модели железной линзы с апертурой 1 мм от питающего тока.

зяг|(Е1*Е2), СеУ

Рис.9 Дифференциальные светимости столкновения для варианта фотонного коллайдера с высокой светимостью.

I 10

***** Heod-UP collision ¿¿AAA Usual collision

0.1

10 ,Dy100

000

Рис.10 Факторы подавления фоновых ее и е7 светимостей для фотонного : кодлайдера в зависимости отС,, для обычного столкновения и для столкновения со смещенными вверх и вниз головными участками. Для Их — 1 и/5*/«тг = 3. ; ^