对撞区束流管和本底.docx
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对撞区束流管和本底
4.4对撞区，束流管和本底
4.4.1对撞区和束流管
对撞区的设计受到多种因素的制约，探测器，束流管，磁铁，束流监视器，真空泵，挡板（Mask）和机械支撑结构等都需要安装在这个有限的空间里，同时还要保证由束流引起的探测器本底最小。
对撞区的磁铁结构设计已基本完成，图4.4-1为对撞区设计的示意图，其中包括所有的加速器磁铁，及其中一个束流的同步辐射扇面。
详细的本底计算将在以下章节中讨论。
图4.4-1对撞区布局和其中一个束流的同步辐射扇面
图4.4-2为束流管周围对撞区局部的整体方案图。
整个束流管长1000mm，其中铍管长300mm，每端各350mm的外延束流管，两端不锈钢CF法兰的厚度14mm，直径φ114mm，法兰与超导Q铁出口处加速器真空盒的不锈钢CF法兰相连接，整个束流管的内径为φ63mm。
在加速器超导磁铁和主漂移室内桶之间，设计了厚度为20mm钨环挡板，主要用于屏蔽束流本底，保护探测器。
图4.4-2束流管附近对撞区局部放大图
中心束流管设计应尽量减少材料总厚度，使对信号粒子的多次散射最小，提高对粒子的动量分辨率。
同时中心束流管必须有足够冷却，将同步辐射、损失粒子和次级粒子散射以及高频腔高次模对中心束流管产生的热量带走，保持中心束流管工作温度在20-30˚C，不致损坏中心束流管和不影响其它探测器的工作环境温度；整个中心束流管内壁还应光滑无台阶。
图4.4-3为铍管的详细结构图，选择铍作为中心束流管是减少物质层厚度，使多次散射对粒子动量测量造成的影响最小。
图4.4-3中心铍管的详细结构
中心铍管分两层，分别与过渡铝腔和铜管焊接，中间形成一个均匀的冷却腔，过渡铝腔的管路可设计成两进两出或一进一出；内铍管内径φ63mm，厚度0.8mm；外铍管厚度0.5mm，直径取决于内外铍管的间隙。
目前初步设计为冷却管路一进一出，内外铍管间隙3mm，上述结构、参数是在带走100W热功率和用氦气冷却的情况下计算所得。
在今后的结构优化设计中，要考虑异常情况和加大安全系数，对结构、参数和冷却介质要做最优调整。
内外铍管两端和过渡铝腔可用电子束或激光焊接；另外，在内铍管的最外两端可用钎焊或电子束焊接一段铜管，使中心铍管和外延束流铜管焊接时不用钎焊。
铍管可用粉末冶金成型，但必须经过机械精加工，以保证公差和表面粗糙度要求，尤其是内铍管的内表面，表面粗糙度应达到0.8μm以上，这样才能保证在其内表面可靠的镀金，镀金层厚度应在10μm以上。
图4.4-4为外延束流管的详细结构图。
外延束流管采用铜管或镀铜铝管是为了减少因同步辐射产生的散射光子。
外延束流管采用两侧带耳朵的、内径φ63mm、壁厚1.5mm的铜管作为内环和两个壁厚为1.5mm的半铜环相焊接，间隙均为1.5mm，形成上下两个冷却腔，分别连接一个管接头，作为一进一出的冷却循环通道。
铜管一端与镀镍的CF法兰焊接，另一端与铍中心束流管的过渡铜管相焊，形成整个中心束流管。
图4.4-4外延束流管的详细结构
图4.4-5为中心束流管的支撑结构示意图。
为了保证中心束流管的冷却水、气管及信号线和加速器BPM电缆及冷却水管能够从对撞区的狭小空间钻出去，同时保证有足够的安装、调整空间，为此，设计了通孔内径φ118mm、厚15mm的圆环，外带类似自行车辐条的三个伸展臂，与漂移室外环厚20mm的铝环相连，再通过三个调整螺钉对中心束流管进行对心调整和轴向定位。
图4.4-5中心束流管的支撑示意图
总体来说，由于束流管位于BESIII谱仪中心，纵深长，内部回转空间小，调整结构的设计应简单为主，以易于安装为目的；同时，由于束流管在BESIII的最里面，所以，必须考虑设计的可靠性和维修的方便性，当然，以可靠为主，因此，在结构优化设计时必须考虑在满足使用性能的基础上，尽可能地减少引出电缆和冷却水管。
4.4.2BEPCII的探测器本底
BEPCII工程中，探测器束流相关本底是难度比较大的问题之一。
这个问题包括两个方面：
一个是要确保探测器的辐射剂量在一定的范围内，以防止探测器损坏；另一个是尽量减少探测器的本底，以保证实验数据受到的的干扰最小，物理结果可靠。
表4.4-1列出了对撞区附近主要探测器的辐射剂量安全上限。
表4.4-1主要探测器的辐射剂量安全上限
探测器
辐射剂量安全上限
主漂移室电子学
1000rad/year
主漂移室丝
100kHz
碘化铯（CsI）晶体
500rad/year
本底来源有三种：
●对撞区附近加速器磁铁产生的同步辐射光子
●束流－气体非弹性轫致辐射（bremsstrahlung），弹性库伦散射（Coulomb
scattering）和束团内部带电粒子之间的弹性散射（Touschek效应）造成的丢失粒子
●注入引起的丢失粒子（注入效率低于100％）
这些本底中的一部分可以用蒙特卡罗（MonteCarlo）程序可靠地模拟，其它的则只能根据两个B工厂的经验估计。
目前国际主要用SRGEN产生同步辐射光子，SRSIM[2]和EGS[3]模拟光子与物质的相互作用，这里SRSIM和EGS类似，但EGS的功能更强。
研究表明，SRSIM和EGS在30％以内符合。
对于丢失粒子，一般用DecayTurtle[4]模拟粒子在储存环的输运，粒子与储存环内残余气体分子的相互作用（非弹性轫致辐射和弹性库伦散射）和束团内部带电粒子之间的弹性散射（Touschek效应），而基于GEANT3[5]的程序则用于模拟丢失粒子在探测器响应。
下面介绍我们的初步模拟结果，进一步的研究还在进行。
4.4.2.1同步辐射本底
1.简介
带电粒子在二极和四极磁铁中受到加速时，就会产生同步辐射。
同步辐射光子沿着带电粒子的切向运动，总功率如下式：
其中，为带电粒子的偏转半径，d为偏转角。
同步光的光谱由特征能量表征：
.
部分同步光子会不可避免地击中真空盒和挡板，产生散射或荧光，并最终穿过束流管进入探测器。
在对撞区的设计中，我们让同步辐射光子能量尽可能地低，从而使它们可以安全地在对撞区被吸收。
另一方面，束流管半径增大，进入探测器的同步辐射本底会显著减少。
同时，同步辐射本底与束流尺寸密切相关，束流发射度小，同步辐射本底少。
为了减小束团不稳定性，BEPCII采用了多束团（93）设计以减少单束团的带电粒子数目。
为了减小寄生穿越效应，束团在离开对撞点后应立即在水平方向分开，这通过偏心的超导四极磁铁（Super-ConductingQuadrupole：
SCQ）来实现。
从表4.4-2（加速器磁铁的主要参数）和图4.4-1（对撞区布局和其中一个束流的同步辐射扇面）可以看出，这个超导的四极磁铁会产生一定的同步辐射光子。
从图中可以看出，这些同步辐射光主要击中对撞点下游的真空盒，所以，没有办法设置挡板以阻挡这些光子击中束流管。
表4.4-2对撞区加速器磁铁的主要参数
磁铁
到对撞点
距离（m）
长度（m）
K（m-2）
水平偏转半径（m）
竖直偏转半径（m）
SCQ
1.096
0.407
-2.5787
Q1A
3.550
0.200
1.2450
Q1B
4.050
0.400
0.6550
Q2
5.552
0.500
-0.3732
Q3
9.553
0.500
-0.2376
Q4
12.554
0.400
0.6536
OWBL
13.520
0.9322
18.295
1030
我们使用三个程序－SRGEN，SRSIM和EGS来模拟同步辐射。
SRGEN通过跟踪束流在磁铁元件中的竖直和水平运动轨道来计算作用在对撞区真空盒不同面上的同步辐射光谱和功率。
SRSIM用于模拟全部的X射线散射，能量下限为1KeV；其中包括光子与核外电子的弹性康普顿（Compton）散射，瑞利（Rayleigh）散射和K壳层及L壳层的辐射光吸收；程序中对于小角度散射使用近似的权重，所以可以用来估计单次散射。
EGS和SRSIM类似，除SRSIM的功能外，它还可以模拟同步辐射光子的探测器响应。
图4.4-6为同步辐射模拟的基本过程。
图4.4-6同步辐射模拟的基本过程
2.模拟结果
模拟中取束流能量为1.891GeV，流强为1A。
同步辐射光子主要来自于超导四极磁铁-SCQ，Q1A，Q1B，Q2，Q3，Q4和弱二极磁铁-OWBL。
图4.4-7为所有磁铁产生的同步辐射功率在对撞区真空盒表面的纵向（Z向）分布。
对撞点为原点，正Z向与束流运动方向相反，水平方向指向环外侧为正，竖直方向指向上方为正。
纵坐标为丢失在真空盒表面的功率。
从图中可以看出，同步辐射功率主要击中对撞点下游，束流管上的功率有限。
表4.4-3为详细的每个真空盒面上的功率分布。
击中束流管-Surf7的功率为0.808瓦，丢失在正负1.93米（包括Surf6，Surf7，Surf9和Surf11）的总功率约为77瓦。
同高次模功率相比，虽然这个功率较小，但由于同步辐射光子在垂直方向分布集中，因此，需要仔细设计冷却系统。
同步辐射产生的探测器本底稍后介绍。
图4.4-7所有磁铁产生的同步辐射功率的纵向分布
表4.4-3真空盒不同面上的同步辐射功率
真空盒面名称
位置（m）
总功率（w）
功率密度（w/mm）
Surf0
4.5～3.0
2.7
0.002
Surf1
3.0～2.2
16.5
0.02
Surf2
2.2～2.0
20.9
0.3
Surf6
0.151～0.150
0.12
0.13
Surf7（铍管）
0.150～-0.150
0.81
0.003
Surf9
-0.151～-0.7
32.5
0.12
Surf11
-0.8～-2.0
43.1
0.07
Surf14
-3.0～-4.5
46.5
0.06
模拟表明，打在不同面上的同步辐射功率，尤其是打在铍管上的功率会随着磁铁的安装精度，束流控制精度和束流性质的改变而急剧的改变。
表4.4-4列出了击中铍管的同步辐射功率与磁铁的安装偏差，对撞点处束流位置偏移和对撞点处束流穿越角度偏移的关系。
从表中可以看出，在最坏的磁铁安装偏差的情况下，击中铍管的功率从0.8W增加到4.0W，击中铍管的功率尤其对对撞点处束流的穿越角度敏感。
当对撞点处束流穿越角度由11mrad减到9mrad（3.3或约5.3
）时，击中铍管的功率由正常的0.8W增加到11.7W，其中增加的主要部分来自弱二极磁铁（OWBL）。
因此，在运行过程中，我们需要控制对撞点处的束流穿越角度，以保证本底在可容忍的限度内。
表4.4-4铍管上同步辐射功率与磁铁安装偏差，对撞点处束
流偏移和对撞点处束流穿越角度偏移的关系
磁铁偏移（mm）
铍管上的功率（w）
SCQ+1
4.0
SCQ–1
0.06
Q1A+1
0.4
Q1A–1
2.5
Q1B+1
0.4
Q1B–1
2.6
束流偏移（mm）
水平+1
0.26
水平-1
3.1
束流穿越角度偏移（mrad）
-2.0
11.7
-1.5
10.2
-1.0
7.8
-0.5
4.2
+0.5
0.04
+1.0
0.003
+1.5
0.02
打在铍管上的光子是尤其危险的。
一方面，铍管由于物理上的需要而很薄，这就使得它很脆弱，有可能因为过量的同步辐射而产生机械损伤。
另一方面，同步辐射光子可能会穿过铍管而在主漂移室内产生过量的本底。
过高的主漂移室单丝记数率会产生严重的老化问题，甚至使寻迹变得不可能。
图4.4-8为沿Z向击中铍管的每秒每0.6厘米的光子数。
可喜的是，同步辐射光子沿Z向分布基本均匀。
图4.4-9为直接击中铍管和透过铍管的光子能谱，包括SRSIM和EGS的模拟结果。
从图中可以看出，对于能量大于9KeV的光子，铍管吸收很少。
镀10m金的束流管可以有效的减少同步辐射光子击中探测器，我们将采用镀金设计。
图4.4-8铍管上光子的Z向分布
图4.4-9直接入射到铍管上的光子能谱，透过铍管的光子能谱及透过镀金
（10m）铍管的光子能谱（包括SRSIM和EGS的模拟结果）
部分光子会穿过镀金铍管进入主漂移室，与主漂移室内的气体发生光电效应被吸收，从而在信号丝上产生信号。
图4.4-10为用EGS模拟的主漂移室内的同步辐射光子能谱，模拟中考虑了低能光子的小角度散射[3]。
单束流产生的进入主漂移室的总光子数为2×107个/秒，其中，进入单个单元光子数最大值为4×106个/秒，这是同步辐射光子在垂直方向分布较为集中的结果，如图4.4-11。
模拟结果表明主漂移室电子学的辐射剂量不超过100rad/year，远低于辐射剂量安全上限。
主漂移室使用气体为60%He+40%C3H8，图4.4-12和图4.4-13分别为光子在0.4atm时穿过1厘米C3H8和在0.6atm时穿过1厘米He的透射率。
假设每个被吸收的光子产生一个信号，则对于双束流，最大单丝计数率不超过20KHz（由图4.4-10到图4.4-13计算得到）。
镀20m的金可以进一步使同步辐射本底降低10倍左右。
图4.4-10穿过主漂移室内壁的光子能谱图4.4-11主漂移室第一层光子的
单元分布
图4.4-12光子在C3H8中的透射率图4.4-13光子在He中的透射率
散射到铍管上的总功率比直接击中铍管的总功率小得多，所有同步辐射击中的面均用铜做成（铍管除外），因此，散射到束流管上的光子很少。
图4.4-14为打在束流管上的散射光子和透过束流管的散射光子能谱。
与前面一样，镀金（10m）能够有效地阻止光子透过束流管，从而使散射光子本底可以忽略。
图4.4-15为散射到铍管上的光子能谱，包括SRSIM和EGS的模拟结果。
可以看出，SRSIM和EGS的结果是一致的。
图4.4-14散射光子的能谱，穿过铍管的散射光子能谱及
穿过镀金（10m）铍管的散射光子能谱（SRSIM）
图4.4-15铍管附近镀铜真空盒散射到铍管上的光子
能谱和穿过铍管的光子能谱
4.4.2.2丢失粒子本底
束流气体作用和Touschek效应会造成丢失粒子击中真空盒。
如果粒子丢失在对撞点（IP）附近，他们就很可能会进入探测器造成过高的单丝记数率和探测器的辐照损伤。
我们用DecayTurtle程序（经过修改以包括束流－气体轫致辐射，库伦散射[4]和Touschek效应）模拟束流－气体作用和Touschek效应，用基于GEANT3[5]的程序模拟丢失粒子的探测器响应。
1．简介
a.束流－气体作用
通过调整DecayTurtle的输入参数，我们对轫致辐射和库仑散射分别进行了模拟。
参与两种类型作用的粒子在储存环上均随机产生。
对于轫致辐射，光子携带的能量（束流能量归一化）
由下式给出：
对于库仑散射，粒子（正负电子）的散射角度
由下式给出：
其中，Z为靶物质的原子序数，
为修正因子—修正电子在原子核上的镜像效应。
轫致辐射的归一化因子为：
而库仑散射的归一化因子为：
其中，NA为阿弗加德罗（Avogadro）常数；C为储存环环长；Z，P和Lrad分别为残余气体的原子序数，压力（单位：
Torr）和一个大气压下的辐射长度（单位：
cm）。
如残余气体为双原子分子，库伦散射归一化因子需乘以2。
对于轫致辐射，末态粒子（一个电子+一个光子）运动方向与母粒子一致，二者的能量之和等于母粒子的能量。
对于库仑散射，末态粒子（一个电子）能量与母粒子一致，方向改变。
为了计算轫致辐射和库仑散射丢失粒子在对撞点附近的能量丢失率，我们模拟了整个正电子环（负电子环与正电子环基本对称）。
b.Touschek效应[6]
Touschek效应是指同一束团内部带电粒子之间的库伦散射。
为简单起见，我们只模拟了单次的Touschek效应。
束流的Touschek寿命由下式给出：
其中，N为单束团内的粒子数，为束流的Touschek寿命，c为光速，x，y和z分别为束流的水平，垂直和纵向的rms尺寸。
，
RF为高频腔的接收度，
，D（）为通用函数：
考虑整个储存环，束流的平均寿命为：
其中，C为储存环环长。
我们用P代替RF，则传递能量大于P的电子数为：
对于能量传递范围[min,max]，N正比于：
在储存环上的一个确定位置，发生Touschek效应的粒子数反比于束流尺寸：
因为D（）随变化比较平缓，我们得到下式：
我们通过计算可得到几十组（P,（P）），再用线性内插进行能量传递抽样；根据BEPCII设计的Lattice，计算出几十至几百组，再对Touschek作用位置进行抽样。
归一化因子由下式给出：
其中，Pbeam为束流能量；Ns为模拟的总粒子数；考虑到Touschek效应为同一束团内部两个粒子之间的作用，而模拟一次只能模拟一个粒子，所以乘以2。
模拟的关键点在于，我们根据D（）随变化平缓的特点，分离了位置相关部分－Vinv和能量相关部分－。
2．模拟结果
表4.4-5列出了模拟中使用的加速器参数和储存环上不同区域的真空度。
其中，224.111米等价于–13.42米（储存环长237.531米）。
表4.4-5模拟中使用的加速器参数和储存环上不同区域的真空度（单束流）
模拟中使用的加速器参数
束流能量
（GeV）
流强
（mA）
发射度-eX（mm.mrad）
发射度耦合
eY/eX
能散度
–e
1.89
900
0.144
1.5%
5.16×10-4
真空度（nTorrof20%CO+80%H2）
[0.0,224.111]m
[-13.42,-5.0]m
[-5.0,-2.0]m
[-2.0,+2.0]m
[+2.0,+5.0]m
5.00
0.79
4.20
17.0
4.20
a.束流－气体作用
图4.4-16为无挡板情况下轫致辐射丢失电子的典型运动轨迹，图4.4-17为无挡板情况下库伦散射丢失电子的典型运动轨迹。
其中，X沿水平方向，指向环外为正；Y沿竖直方向；Z沿粒子运动方向；对撞点为坐标原点；X，Y，Z构成右手螺旋坐标系。
对于轫致辐射丢失电子，它们的能量低于束流能量（轫致辐射光子带走部分能量），因此，它们在经过二极磁铁时会被过度偏转，经过四极磁铁时会被过度聚焦，最后丢失，部分粒子丢失在对撞区。
对于库伦散射丢失粒子，它们的角度变大，导致它们的振荡幅度变大，并最后丢失，有可能丢失在对撞区。
图4.4-16轫致辐射丢失电子的图4.4-17库伦散射丢失电子的
典型运动轨迹典型运动轨迹
模拟表明，束流－气体本底比较严重，必须要在储存环上设置挡板以阻止丢失粒子击中对撞区。
表4.4-6列出了模拟中使用的11个挡板的详细情况。
其中，eX=180mm.mrad；eY=90mm.mrad。
表4.4-6储存环上11个挡板的详细情况（正电子环）
名称
挡板
类型
特点
对撞点上游到对撞点距离（m）
水平半孔径（mm）
垂直半孔径（mm）
Befor_R2OQ04
阻挡水平库伦散射
低Dispersion
高BetaX
108.21
VacuumChamber
Middle_R2OQ04
阻挡水平库伦散射
低Dispersion
高BetaX
107.21
VacuumChamber
Middle_R2OQ14
阻挡托歇克丢失粒子
高BetaX
73.97
VacuumChamber
Befor_R2OQ16
阻挡垂直库伦散射
低Dispersion
高BetaY
64.72
VacuumChamber
Middle_R3OQ14
阻挡水平库伦散射
低Dispersion
高BetaX
46.68
VacuumChamber
Middle_R3OQ08
阻挡水平丢失粒子
高Dispersion
高BetaX
27.13
VacuumChamber
after_R3OQ04_h
阻挡水平丢失粒子
低Dispersion
高BetaX
11.67
VacuumChamber
after_R3OQ04_v
阻挡垂直丢失粒子
10.97
VacuumChamber
after_R3OQ03_h
阻挡水平丢失粒子
低Dispersion
高BetaX
8.20
VacuumChamber
after_R3OQ03_v
阻挡垂直丢失粒子
7.50
VacuumChamber
after_R3OQ02
阻挡水平丢失粒子
低Dispersion
高BetaX
4.98
VacuumChamber
注：
对于电子束流，水平挡板除after_R3OQ02外，全部设成12倍的X；其余挡板孔径同正电子束流。
为保证束流注入效率，水平方向远离对撞点的阻挡水平方向丢失粒子的挡板对正电子束流设置成12.5倍的X，对负电子束流设置成12.0倍的X，靠近对撞点的水平挡板设成13.0倍的X，能散度（EnergySpread）取0.5%，闭轨取0mm；垂直方向设成10倍的Y，闭轨取0mm。
图4.4-18和图4.4-19分别为加挡板后丢失在对撞区的轫致辐射电子和库伦散射电子的典型运动轨迹。
图4.4-18加挡板后轫致辐射丢失图4.4-19加挡板后库仑散射丢失电子
电子的典型运动轨迹的典型运动轨迹
这些挡板可以有效的阻挡丢失粒子到达对撞区，表4.4-7为丢失在对撞点附近不同区域的能量率。
从表中可以看出，挡板可以有效地减少丢失在对撞点附近的本底，丢失在对撞点附近0.8m内的能量率约为353MeV/s。
丢失在对撞区的能量主要来自对撞点上游13.42米到对撞点之间区域，因此，对撞点上游13.42米到对撞点之间区域的真空度对于有效降低本底至关重要。
表4.4-7单束流丢失在对撞点附近不同区域的能量率（单位：
MeV/s）
区域
[-5.0m,+5.0m]
[-1.93m,+1.93m]
[-0.8m,+0.8m]
无挡板
有挡板
无挡板
有挡板
无挡板
有挡板
Brem
2124
1664
576.0
432.9
310.0
310.0
Brem
[-13.42m,+2.0m]
1163
367.2
307.0
Coul
3127
860.9
803.9
247.5
42.57
42.57
Coul
[-13.42m,+2.0m]
510.8
195.5
41.27
Total
5251
2525
1380
680.4
352.6
352.6
我们已经利用基于GEANT3的程序，对丢失粒子的探测器响应做了详细的模拟。
对于TOF信号，我们设置了500KeV的阈值，对于其它的探测器信号，没
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