Quantum approach to the halo formation in high current beams
Sameen Ahmed Khan, Modesto PUSTERLA
本文根据类量子理论，用衍射模型解释了加速器中束晕的形成。纵向动力学的物理意义也进行了研究
An interpretation of the formation of halo in accelerators based on quantum-like theory by a diffraction model is given in terms of the transversal beam motion. Physical implications of the longitudinal dynamics are also examined
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
继续探索
In circular colliders, as well as in damping rings and synchrotron radiation light sources, beam halo is one of the critical issues limiting the performance as well as potentially causing component damage and activation. It is imperative to clearly understand the mechanisms that lead to halo formation and to test the available theoretical models. Elastic beam-gas scattering can drive particles to large oscillation amplitudes and be a potential source of beam halo. In this paper, numerical estimation and Monte Carlo simulations of this process at the ATF of KEK are presented. Experimental measu…
Quantum-like approach to the transversal and longitudinal beam dynamics. The halo problem
本文根据类量子理论，用衍射模型解释了加速器中束晕的形成。纵向动力学的物理意义也进行了研究。
Beam halo is one of the crucial issues limiting the machine performance and causing radioactivation in high-intensity accelerators. A clear picture of beam-halo formation is of great importance for successful suppression of the undesired beam loss. We present numerical and experimental studies of transverse and longitudinal halos in the KEK Accelerator Test Facility. The fair accordance between predictions and observations in various conditions indicates that the Touschek scattering is the dominant mechanism forming the horizontal and momentum halos.
The Beam Halo Experiment at the LEDA Facility
由于在强质子束中产生晕粒子的潜在不利影响，因此必须清楚地了解当前和拟议的高强度直线加速器可能导致晕形成的机制。为此，已经开发了一个理论模型，该模型表明，在强空间电荷力和线性传输通道中的周期性聚焦的联合影响下，质子可以被踢到晕轨道中。然而，还没有实验测量质子束中的束晕。在本文中，我们报告的进展，努力进行一项实验，以测量束晕使用现有的高强度质子束的LEDA设施。一个线性传输通道已组装与适当的诊断用于测量作为光束参数的函数的束晕中的预期的小光束分量。该实验是基于使用一个阵列的高动态范围线和光束刮刀，以确定沿运输通道的晕和核心配置文件。将介绍实验设计的详细信息和预期的晕圈测量特性。
Beam Halo and Bunch Purity Monitoring
本文介绍了用于束团晕测量的高动态范围仪器，并讨论了束流仪器角度下的晕定义和量化方法。
Beam halo dynamics and control with hollow electron beams
本文综述了准直器扫描束晕扩散动力学的实验测量。本文讨论了用空心电子束准直器控制晕的概念，在Tevatron上的演示，以及它在LHC上的可能应用。
Beam halo study on ATF damping ring
晕分布是背景研究的一个重要课题。本文提出了一种估算ATF束晕分布的解析方法。分析计算了不同发射度和不同真空度时，ATF阻尼环中束尾的平衡粒子分布。分析结果与测量结果吻合得很好。这是一个通用的方法，可应用于任何电子环。
Quantum-like approaches to the beam halo problem
给出了基于类量子衍射的加速器中的“晕问题”的解释。并与其它基于经典力学方程的方法进行了比较。
Suppression of Space Charge Induced Beam Halo in Nonlinear Focusing Channel
强流非均匀粒子束由于非线性空间电荷力的作用，在聚焦通道中表现出强的发射度增长和束晕的形成。这种现象限制了光束亮度并导致粒子损失。该问题与由于在相空间中的双折射而在常规聚焦结构中光束的相空间体积的不可逆畸变有关。发射度的增长伴随着真实空间中的晕形成，这导致不可避免的粒子损失。本文讨论了求解二维几何中匹配非均匀梁自洽问题的一种新方法。将所得解应用于束流输运问题，同时通过使用非线性聚焦场避免了发射度增长和晕圈形成。守恒的光束分布函数的证明解析和粒子模拟的光束与现实的光束分布。
Stability and Halo Formation in Axisymmetric Intense Beams
采用粒子模拟方法，分析了高强度轴对称二维光束在均匀聚焦通道中的光束稳定性和束晕形成。探讨了均匀（KV）分布的粒子横向相空间密度，以及更现实的（特别是，水袋分布），以确定稳定性限制和晕参数的调谐凹陷失配空间。数值结果表明，与晕形成的分析模型（R.L.）的预测一致。Gluckstern，Phys.Rev.Letters，73（1994）1247）。
Halo Coupling and Cleaning by a Space Charge Resonance in High Intensity Beams
结果表明，强流束的空间电荷赝八极子驱动的差共振不仅耦合束芯发射度，还导致束晕中的发射度交换，这与强流加速器中的束流损失有关.关于直线加速器，“主共振”kz/kxy =1（对应于圆形加速器中的蒙塔古共振2 Qx-2 Qy =0）可导致平面之间的晕圈的这种耦合和转移。即使芯发射度（rms）完全相等或几乎相等，也可能发生横向晕耦合到纵向平面（反之亦然）。这个晕轮论证证明了在直线加速器设计中的额外谨慎，包括考虑避免均分设计。然而，与此同时，该机制也可以通过将晕圈从纵向平面耦合到横向平面（其中局部刮擦是可访问的）中而有资格作为主动动态晕圈清洁方案。我们提出了半解析发射度耦合率，并表明，以前开发的直线加速器的核心稳定性图表可以扩展-使用的纵向横向晕发射度比-以表明其他地区的晕耦合可能是重要的。
Analytical estimation of ATF beam halo distribution
为了研究ATF 2束线和互作用点的本底状态，本文提出了一种基于K. Hirata和K. Yokoya的理论给出了当每个电子除了受到同步辐射阻尼效应的影响外，还受到束气散射、束气韧致辐射和束内散射等随机过程影响时，ATF阻尼环中束尾的平衡粒子分布。这种方法是通用的，也可应用于其它电子环。
Beam Halo Imaging with a Digital Optical Mask
束晕是影响强流加速器性能的重要因素。它会导致束流控制困难、发射度增长、粒子损失，甚至损坏加速器。因此，必须了解晕形成的机制及其动力学，以控制和尽量减少其影响。晕分布的实验测量是这类研究的重要工具。在本文中，我们提出了一种新的自适应掩模的方法，我们已经开发的图像束晕，它使用数字微镜阵列器件（DMD）。这种方法已经在实验室中使用激光和白光光源，并与马里兰大学电子环（UMER）产生的实际光束进行了彻底的研究。用这种新方法已经证明了~10（5）的高动态范围，最近的研究表明，对于更强的光束，可以超过这个数字至少一个数量级。该方法灵活，易于设置，可用于任何加速器或光源。我们提出了我们的测量结果的性能的方法和图像的光束晕在各种实验条件下产生的。
In vacuum diamond sensor scanner for beam halo measurements in the beam line at the KEK Accelerator Test Facility
束晕横向分布的研究对于理解未来直线对撞机（FLC）中的束流损失和本底控制具有重要意义。设计并研制了一种新型的四条真空金刚石传感器（DSv）扫描器，用于研究ILC和CLIC直线对撞机末级聚焦系统的低能（1.3GeV）原型ATF 2的束晕横向分布，并用于诊断其相互作用点（IP）后的康普顿反冲电子。使用DSv，$\sim10^6$的动态范围已被成功地证明和确认的同时束芯（$\sim10^9$电子）和束晕（$\sim10^3$电子）测量在ATF 2的第一次。本报告介绍了表征，性能研究和测试的金刚石传感器使用$α$源，以及使用电子束在PHIL，低能量（$< 10$ MeV）的光注入器在LAL，并在ATF 2。还介绍了在不同束流强度和真空度下，利用DSv在ATF2上首次测量束晕的结果。这种测量不仅允许人们评估不同的束晕产生源，而且还可以定义要安装在ATF 2上的合适准直系统的要求，以及在未来操作期间优化其性能。
Fluctuations Do Matter: Large Noise-Enhanced Halos in Charged-Particle Beams
束晕的形成通常用粒子核模型来描述，其中振荡核的空间电荷场将粒子驱动到大振幅。该模型涉及参数共振，并预测了一个硬上限的晕粒子的轨道振幅。我们表明，由于空间电荷波动和/或机器缺陷的有色噪声的存在下，可以喷射粒子到更大的幅度比将单独从参数共振推断。
In particle accelerators, particle losses to surrounding components must be minimized. These particles usually have been driven into an undesired "halo" outside the desired distribution before being lost. The processes involved and physical identification of such halo is an intense research topic especially when the nonlinear space charge effect is taken into account. In order to present a method, firmly based on the physics of the transient beam state, for determining when a particle may be defined as being in a halo, the particular example of an initially rms matched beam injected into a res…
Measurements of the effect of collisions on transverse beam halo diffusion in the Tevatron and in the LHC
在粒子对撞机中，束-束力和碰撞光学对束流寿命、动态孔径和束晕的形成有重要影响。在机器的设计和操作阶段进行了大量的分析和数值模拟，以量化这些影响，但实验数据很少。小步长准直器扫描技术应用于费米实验室Tevatron对撞机和欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机，研究了碰撞对横向束晕动力学的影响。我们描述的技术，并提出了一个总结的第一个结果的依赖性的晕扩散系数在Tevatron和LHC的电子感应加速器振幅。
Circular particle accelerators at the energy frontier are based on superconducting magnets that are extremely sensitive to beam losses as these might induce quenches, i.e.\ transitions to the normal-conducting state. Furthermore, the energy stored in the circulating beam is so large that hardware integrity is put in serious danger, and machine protection becomes essential for reaching the nominal accelerator performance. In this challenging context, the beam halo becomes a potential source of performance limitations and its dynamics needs to be understood in detail to assess whether it could b…
Tevatron Beam Halo Collimation System: Design, Operational Experience and New Methods
质子束和反质子束在Tevatron对撞机中的准直是为了保护CDF和D0探测器并使其本底率最小化，保持超导磁体的辐照处于控制之下，保持长期运行的可靠性，并减少束流感应辐射对环境的影响。本文简要介绍了对撞机准直系统的设计、实际实现和性能，控制横向和纵向束晕的方法，以及在Tevatron上测试的两种新的准直技术。
Measurements of beam halo diffusion and population density in the Tevatron and in the Large Hadron Collider
晕动力学影响全球加速器的性能：束流寿命，发射度增长，动态孔径和准直效率。光晕监测和控制对于高功率机器的运行也至关重要。例如，在LHC的高亮度升级中，储存在束尾中的能量可能达到几兆焦耳。快速损耗会导致超导磁体失超、磁体损坏甚至准直器变形。需要测量束晕并以可控的速率去除它。在Tevatron和LHC中，通过观察在不同的实验条件下小的向内或向外的准直器步骤之后的损失的时间演变，用准直器扫描测量晕粒子数密度和扩散率：用单束和碰撞，并且在Tevatron的情况下，用空心电子透镜作用于聚束的子集。大型强子对撞机恢复运行后，计划将测量的扩散率与已知的横向阻尼器激励强度进行比较。本文还简要讨论了非破坏性晕粒子数密度测量的新建议。
An experimentally robust technique for halo measurement using the IPM at the Fermilab Booster
我们提出了一个模型无关的量，$L/G$，来表征非高斯尾巴在费米实验室助推器离子轮廓监测器观察到的光束轮廓。这个量可以被认为是助推器中束晕的量度。我们使用束流动力学和探测器模拟证明，$L/G$是优于峰度作为一个实验测量束晕时，考虑到现实的光束形状，探测器的影响和不确定性。除了在助推器中的实验研究结果外，我们还包括$L/G$的基本原理和计算方法，在助推器中我们表明$L/G$是一种有用的晕轮。
Measurement of the nonlinear diffusion of the proton beam halo at the CERN LHC
本文基于Nekhoroshev定理分析框架，通过监测CERN LHC准直器颚板受控移动期间的束流损失信号，测量了质子束晕的非线性扩散系数，验证了其与理论假设的高度一致性，并评估了束束补偿对束尾扩散的有效性。
Cleaning the beam halo using nonlinear AC magnets
针对四维相空间中含束晕的束流分布，本文提出利用高阶非线性交流磁铁捕获并绝热输运束晕，通过理论建模与数值模拟验证清洁效果。
Conceptual design of hollow electron lenses for beam halo control in the Large Hadron Collider
空心电子束准直是一种控制强流强子束晕的技术。它基于由强轴向磁场引导的电子束（可能是脉冲的或强度调制的），该磁场在环的短部分中与循环束重叠。这个概念在费米实验室的Tevatron对撞机上进行了实验测试，使用了一个安装在Tevatron电子透镜中的空心电子枪。在美国LHC加速器研究计划（LARP）和欧洲FP7 HiLumi LHC设计研究中，我们提出了将这种技术应用于CERN大型强子对撞机的概念设计。一个原型空心电子枪的大型强子对撞机建造和测试。空心电子束准直器的预期性能是基于Tevatron实验和数值跟踪模拟。晕去除率和增强晕扩散率估计作为一个函数的光束和晶格参数。检查质子束芯寿命和发射度增长率，以确保抑制不希望的影响。硬件规格基于Tevatron设备和LHC机器中的初步工程集成研究。还概述了所需的资源和可能的时间轴，并简要讨论了替代性的光晕去除方案和电子透镜的其他可能用途，以提高LHC的性能。
Beam Halo Formation via Longitudinal-Transverse Coupling in Continuous-Wave Photoinjectors
本文针对连续波光注入器中束晕形成问题，提出并实验验证了一种由纵向-横向耦合驱动的三步机制，并通过聚束器压缩调节实现束晕抑制，为高重复频率FEL稳定运行提供支持。
We present the results of numerical simulations and experimental studies about the effects of resonant and random excitations on proton losses, emittances, and beam distributions in the Large Hadron Collider (LHC). In addition to shedding light on complex nonlinear effects, these studies are applied to the design of hollow electron lenses (HEL) for active beam halo control. In the High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC), a considerable amount of energy will be stored in the beam tails. To control and clean the beam halo, the installation of two hollow electron lenses, one per beam, is b…
Halo Formation in Spheroidal Bunches with Self-Consistent Stationary Distributions
本文构造了一类新的自洽6-D相空间平稳分布。然后，光束纵向和/或横向不匹配，我们探讨了光束的稳定性和晕形成的情况下，3-D轴对称束团使用粒子在细胞模拟。我们专注于束团的长宽比从1到5，这涵盖了APT直线加速器参数的典型范围内的光束。我们发现，纵向晕的形式第一可比的纵向和横向失配。一个有趣的耦合现象-纵向或横向晕观察，即使对于非常小的失配，如果在其他平面的失配是大的-被发现。
Production of Enhanced Beam Halos via Collective Modes and Colored Noise
我们研究如何集体模式和色噪声合谋产生一个光束晕与更大的幅度比可以单独产生的现象。集体模式是最低阶径向本征模计算自洽的配置对应于直流，圆柱对称，温暖的流体Kapchinskij-Vladimirskij平衡。色噪声来自于不可避免的机器误差，并影响内部空间电荷力。它的存在通过不断地将统计上罕见的粒子踢回与集体模式振荡同相，迅速将它们发射到不断增长的振幅。对于纯径向轨道和最初纯方位角轨道，晕幅基本上是相同的;轨道角动量在统计上没有显著的影响。确实有影响的因素包括集体模式的振幅以及色噪声的强度和自相关时间。由于噪声破坏了Kolmogorov-Arnol 'd-Moser环面，否则将限制光束，因此潜在的动力学增强。这些环面是脆弱的;即使是非常微弱的噪音最终也会打破它们，尽管它们解体的时间尺度取决于噪音的强度。因此，集体模式和噪声是非常重要的，在真实光束中的晕形成的动力学。
Control System for the LEDA 6.7-MeV Proton Beam Halo Experiment
高功率质子束晕形成的测量是低能示范加速器（LEDA）设施正在进行的科学实验。为了实现这一测量目标，一个52磁铁束线包含几种类型的束诊断仪器正在安装。实验物理和工业控制系统（EPICS）和商业软件应用程序目前正在整合，以提供一个实时，同步数据采集和控制系统。该系统由磁控制、真空控制、电机控制、数据采集和数据分析组成。独特的需求导致了定制软件和硬件的开发和集成。EPICS实时数据库、交互式数据语言（IDL）程序、LabVIEW虚拟仪器（VI）和状态表示语言（SNL）序列托管在基于VXI、PC和UNIX的平台上，这些平台使用EPICS通道访问（CA）通信协议进行交互。采集和控制硬件技术范围从基于DSP的诊断仪器到PLC控制的真空系统。本文主要介绍了控制系统的硬件和软件的设计、实现。
Channeling and Volume Reflection Based Crystal Collimation of Tevatron Circulating Beam Halo (T-980)
T980晶体准直实验正在Tevatron进行，以确定这种技术是否可以提高980 GeV束晕准直效率，如Tevatron和LHC等高能强子对撞机。T980还研究各种晶体类型和参数。在2009年夏天的停机期间，通过在水平测角仪中安装新的O形晶体，以及添加具有两个交替晶体（O形和多条）的垂直测角仪和额外的光束诊断，该设置得到了大幅增强。第一次测量与新系统是相当令人鼓舞的，与预测的二级准直器上观察到的通道和体积反射光束。研究了晶体在体反射和沟道模式下的准直效率，并与非晶主准直器进行了比较。系统性能的结果是为最终的商店的研究和整个对撞机商店。第一次调查碰撞光束准直同时使用晶体在垂直和水平面已在政权与水平通道和垂直体积反射光束。正在计划在FY10夏季关闭期间进行重大的硬件改进，并在Tevatron运行的最后一年进行专门的研究，以及“后对撞机束流物理运行”期间。
Levy-Student Distributions for Halos in Accelerator Beams
本文描述了粒子加速器中的横向束流分布，它是由随机力学（SM）的受控随机动力学方案产生的时反不变扩散过程。这导致了一个线性化的理论总结在一个薛定谔式（\Sl）方程。在最近的一篇论文\cite{prstab}中，通过将\Sl方程与麦克斯韦方程组耦合，引入了空间电荷效应。我们分析的空间电荷效应，了解如何产生实际的光束分布的动态，特别是我们展示了如何固定，自洽的解决方案是有关的（外部，和空间电荷）的潜力，当我们假设外部场是谐波（\emph{constant focusing}），当我们\emph{a priori}规定的形状的固定解决方案。然后，我们继续讨论一些新的想法~ \cite{epac04}通过引入广义学生分布，即非高斯，Lévy \emph{infinitely divisible}（但不是\emph{stable}）分布。我们将从两个不同的观点来讨论这个想法：（a）首先假设我们的（维纳幂）SM模型的平稳分布是学生分布;（b）假设我们的模型是基于一个增量是学生分布的（非高斯）Lévy过程。我们指出，在（a）情形中，Student定律的功率衰减的长尾和（b）情形中，Lévy-Student过程的不连续性可以很好地解释粒子从束芯逃逸的罕见现象，从而解释强束中晕的形成。
Breaking of a plasma wave driven by a long beam of charged particles results in electron jets escaping from the plasma column and forming an electron halo. For plasma densities less than or of the order of the beam density, this process is well described by a semi-analytical model, which agrees with simulations and allows to calculate the position of wavebreaking points and determine the regions around the plasma column occupied by the halo.
Collimation with hollow electron beams
提出了一种新的控制强流高能束晕在储存环和对撞机中的消除概念。它是基于循环束的相互作用与5千电子伏，磁约束，脉冲空心电子束在一个2米长的部分环。电子包围循环束流，横向踢晕粒子并使束流核心不受干扰。通过充当可调谐扩散增强器而不是硬孔径限制，中空电子束准直器将常规准直系统扩展到超出由可容忍损耗施加的强度限制。这个概念在费米实验室的Tevatron质子-反质子对撞机上进行了实验测试。本文介绍了980-GeV反质子准直的初步结果。
High Current Beam Dynamics in an Ess SC Linac
本文介绍了欧洲空间源（ESS）高能直线加速器的三种设计方案。最有前途的是一个正常传导（nc）耦合腔直线加速器（CCL）的最终能量或在407 MeV的变化，只有一组6细胞超导（sc）椭圆腔。全三维蒙特卡罗模拟的两个选项，优化减少晕形成在直线加速器端。对于无误差匹配的情况，特别是在纵向平面上的晕形成是更明显的混合解决方案与超导腔，不可避免的相位滑移所造成的，但仍然是相当好的无损耗环注入可以接受的。然而，对于一个30%失配的致密核心的模拟，除了1.5%的晕粒子外，即使在真实空间中，也很少有粒子具有非常大的振幅。这种情况下，代表晕形成前端到端的模拟，造成电流波动，增强的电流输出分布和增强的累积场误差。
Effect of pulsed hollow electron-lens operation on the proton beam core in LHC
空心电子束准直是目前HL-LHC中最有前途的晕主动控制方案之一。为了进一步增加扩散速率以实现例如在挤压之前所期望的快速晕圈去除，电子透镜（e-透镜）可以以脉冲模式操作。在电子束中的轮廓缺陷的情况下，e-透镜的脉冲在质子束上引起噪声，这可以根据频率内容和强度导致发射度增长。为了研究对脉冲模式和振幅的敏感性，已提议在2016年8月在LHC进行束流研究（机器开发MD），我们在本说明中介绍了预备模拟和估计。
Effects of Nonlinear Decoherence on Halo Formation
高强度质子直线加速器和储存环是发展先进中子源的核心，扩展了高能物理学的强度前沿，作为中微子工厂或μ子对撞机中生产π介子的驱动器，以及放射性废物的嬗变。这种高强度光束是使用传统的线性晶格无法获得的。在单粒子极限中已经表明，可积非线性晶格允许比传统线性晶格大得多的调谐扩展，这将减轻许多限制强度的空间电荷限制。在本文中，我们提出了一个试验的非线性晶格与强聚束的空间电荷效应的数值研究。我们观察到，这些非线性晶格及其伴随的调谐扩展强烈减轻晕形成使用的结果，从已知的粒子核心模型导致晕形成在线性晶格。
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