LHCb實驗中的高密度氣體靶

核心概念

本文介紹了大型強子對撞機底夸克實驗（LHCb）新安裝的內置氣體靶系統（SMOG2）及其物理潛力。SMOG2系統採用儲存單元技術，能夠在不影響LHCb主要對撞機運行的情況下，實現高密度固定靶實驗。

摘要

導言
大型強子對撞機底夸克實驗（LHCb）是大型強子對撞機（LHC）上第一個可以同時運行兩個不同交互作用區的實驗。作為LHCb升級計劃的一部分，新的固定靶系統SMOG2在LHC第二次長時間停機期間安裝完畢，取代了之前的氣體交疊測量系統（SMOG）。該系統的核心是一個20厘米長的鋁製儲存單元，用於將氣體靶集中在LHC主真空管道內。儲存單元位於LHCb頂點定位器（VELO）的上游邊緣，距離主交互作用點34厘米，與LHC束流同軸。
SMOG2系統的物理潛力
SMOG2系統為重離子、強子、自旋和天體粒子物理學提供了廣泛的物理研究機會。其主要優勢包括：

能夠在LHC主真空管道內以受控方式注入有限量的氣體，確保了氣體壓力和密度分佈的精確管理，同時保持束流管道內的真空度比LHC運行所需的真空度上限低至少兩個數量級。
窄單元的設計允許每年收集100 pb-1的質子固定靶數據，流速低至每秒1015個粒子（原子或分子，取決於所使用的氣體）。
新的注入系統能夠在幾分鐘內切換不同的氣體，能夠注入任何與LHC運行相容的氣體類型。迄今為止，氦氣（He）、氖氣（Ne）、氬氣（Ar）和氫氣（H2）已被注入束流管道，而氘氣（D2）、氮氣（N2）、氧氣（O2）以及可能更重的惰性氣體（如氪氣（Kr）和氙氣（Xe））的注入也在研究中。
SMOG2系統為在LHC上研究強子物理提供了獨特的機會，其能量範圍介於29到113 GeV之間，填補了先前固定靶實驗（如SPS加速器）和重離子對撞機數據（如RHIC實驗）之間的空白。SMOG2系統預計將在以下幾個方面取得重要進展：

獲取大Bjorken-x下的核子和核子部分分佈函數（PDF），包括粲夸克和底夸克PDF；
利用氫作為參考系統，與更大的核靶（如氬、氪和氙）進行比較，研究核物質效應；
與宇宙射線物理學相關的產量研究。
儲存單元
儲存單元技術允許將有限量的氣體以受控方式注入LHC束流管道內定義明確的體積中。儲存單元由一根開口的管子組成，該管子圍繞束流路徑放置。氣體從管子中心注入，分子或原子從中心向兩端擴散，從而在相同的流速下獲得比直接注入VELO束流真空高達2個數量級的密度，並且沿束流線的長度更短。
SMOG2儲存單元由兩半組成，它們牢固地連接到兩個VELO探測器盒上。儲存單元的核心是一個長20厘米、內徑1厘米（在閉合位置）、壁厚200微米的管子。該管子一端連接到上游束流管道，另一端連接到VELO射頻（RF）盒。
為了確保氣體的密封性，同時滿足平面度在50微米以內的嚴格要求，儲存單元是通過將形狀從鋁塊中銑削出來實現的。儲存單元通過兩個懸臂樑牢固地安裝在VELO盒上，懸臂樑擰在VELO射頻盒的法蘭上。
兩個銅鈹（Cu-Be2）尾場抑制器（WFS）分別位於儲存單元的上下游兩端，確保電氣連續性。上游尾場抑制器呈圓柱形，通過上述光滑的錐形過渡段將束流管（直徑56毫米）與儲存單元管（直徑10毫米）連接起來。下游尾場抑制器通過小的管狀鉚釘連接到儲存單元，而尾場抑制器與VELO探測器的射頻盒的連接方式與之前的尾場抑制器相同。
氣體通過一根內徑1.1毫米的不銹鋼毛細管注入儲存單元的中心，毛細管的一端插入固定半側儲存單元上的一個1.47毫米的孔中。毛細管的另一端連接到一個柔性的過渡段，該過渡段通過VELO容器上的一個標準DN16CF法蘭延伸到空氣側。
溫度監控系統
SMOG2儲存單元的溫度由五根K型雙絞熱電偶線監控，這些熱電偶線還用kapton絕緣，其在SMOG2儲存單元上的位置如圖7所示。傳感器讀取的數值提供了沿儲存單元的溫度曲線，該曲線會影響注入氣體的電導率，並允許計算儲存單元的積分面密度。
校準
儲存單元壁與束流的標稱距離為5毫米，在特殊運行情況下（如範德梅爾光度掃描），該距離會減小到3毫米。因此，必須仔細、正確地校準儲存單元。
儲存單元相對於VELO射頻箔的位置和方向基於CERN負責實驗測量和校準的團隊進行的大地測量進行調整。在進行後續校準程序之前，測量了相對於儲存單元主軸的參考點的位置（基準化）。SMOG2系統的參考標記由位於儲存單元翼片四角的四個8H7孔組成。基準化工作在計量實驗室進行，精度為100微米。
為了識別SMOG2機械結構的位置，並確定其在LHCb參考系中的方位角，添加了虛擬點。為了達到亞毫米級的精度，使用了Leica AT402激光跟踪儀[43]，並在球形目標上安裝了角錐棱鏡後向反射器，這些目標安裝在帶有8g6銷的適配器上，以適應SMOG2基準標記，如圖8所示。在灰色房間里進行了多次校準，以測試和改進機械調整系統。該系統設計為運動學系統，以允許無應力運動，並延長了槓桿臂以方便角度校正。
在被帶到束流上之後，SMOG2儲存單元相對於先前安裝的VELO射頻箔進行了校準。VELO射頻箔和SMOG2儲存單元的位置和方向是從多個站點測量的，使用LHCb坐標系作為中間參考系。參考點的位置確定精度為100微米（一個標準差）。激光跟踪儀工作站位於LHCb VELO凹室中，使用CERN 3D調整軟件[44]進行調整。對這些點上的基準化數據進行六自由度Helmert 3D變換，可以確定目標點的位置，並計算方位角。變換的殘差約為250微米，表明翼片在基準化和最終校準之間發生了變形，這可能是由於測量目標的重量造成的。
經過多次迭代，調整使SMOG2儲存單元遠低於該區域最大束流孔徑所施加的限制。測量位置與基準化和VELO射頻箔位置所定義的標稱位置之間的最終差異在平移方向上在250微米以內，在方位角上在0.51毫弧度以內。沿束流線的位置不太關鍵，由支撐儲存單元的兩個懸臂樑的長度決定。目前測量到的相對於束流-束流交互作用點的最終位置，儲存單元上游邊緣為-536.5毫米，下游邊緣為-336.5毫米。測量精度為0.2毫米，由柔性尾場抑制器位置的不確定性決定。
與光束的干擾
一旦LHC束流被宣佈為穩定以進行數據採集，升級後的VELO探測器在其閉合位置距離束流軸的最小標稱距離為3.5毫米，該孔徑在預期的運行3和運行4的（HL-）LHC條件下被認為是安全的[45]。值得注意的是，在標稱條件下，孔徑始終受到射頻盒下游部分的限制，如圖3所示。
然而，考慮了幾個因素，包括束流交叉配置、束腰偏移、β拍打以及物理填充過程中預期的軌道偏移所施加的橫向偏移。此外，還研究了幾種機器配置，包括基準光學以及更小的β值、水平和垂直交叉配置，以及特殊運行，如β- leveling、離子運行和範德梅爾掃描。研究表明，在SMOG2儲存單元的縱向範圍內，允許的最小孔徑是由範德梅爾掃描配置決定的，為3毫米（假設儲存單元在每次填充時都以閉合軌道為中心）。考慮到儲存單元的孔徑為5毫米，因此有足夠的空間來適應這些公差，並留有足夠的餘量。
束團頻率為40 MHz、束團電荷高的束團束是強電磁場的來源。安全引導這些束流的一般規則是：（i）用橫截面儘可能平滑變化的導電表面包圍它們，以使射頻場靠近束流，以及（ii）避免激勵腔狀結構或其他諧振系統。
電磁模擬被用來闡明尾場抑制器系統對LHC的影響。這包括本徵模計算、頻域線模擬和時域尾場模擬。結果發現，由於SMOG2設置而增加的低頻寬帶阻抗的貢獻與VELO相比仍然很小。因此，LHC的縱向和橫向束流穩定性不會因SMOG2設置的增加而顯著改變。此外，沒有發現SMOG2設置在打開和關閉位置都會改變縱向和橫向諧振模式的證據[46]。
二次電子產額和鍍膜
在帶正電荷束流的粒子加速器中觀察到電子倍增現象，導致電子云的形成，電子云可能導致束流不穩定性、壓力升高和熱負荷。為了避免儲存單元對LHC束流動力學和運行產生任何不利影響，儲存單元表面鍍覆了一層低二次電子產額（SEY）薄膜。
CERN使用兩種类型的薄膜来降低束流管道中的二次电子产额：Ti-Zr-V [47, 48] 和非晶碳 (aC) [49, 50]。Ti-Zr-V (NEG) 的低二次电子产额是在真空中加热到 180 °C 以上几个小时以减少表面氧化物后实现的（这一过程称为活化）。然而，活化后，Ti-Zr-V 薄膜会通过吸气效应泵送氢气和其他活性物质。由于氢气是作为固定靶注入的气体之一，因此 Ti-Zr-V 薄膜的吸气效應可能会损害儲存單元中气体密度的稳定性和可重复性。因此，选择了非晶碳鍍膜方案，该方案的最大二次电子产额为 1，不需要任何活化过程，并且对注入的气体呈惰性。
LHC 中使用的非晶碳薄膜的典型厚度在 50 纳米到 200 纳米之间 [51]，并有一层 Ti 预涂层以增强附着力（在 100 纳米到 200 纳米之间）。
非晶碳鍍膜不仅应用于面向束流的表面以避免电子倍增，还应用于儲存單元的背面，以增加铝表面的发射率，增强与周围环境的热交换，并更容易地消散儲存單元中镜像电荷电流产生的热量。
氣體供應系統
氣體供應系統（GFS）允許精確測量氣體流量和遠程流量調節，它由一個注入台和一條注入線組成，如圖12所示。雖然之前SMOG系統使用的GFS位於VELO凹室中，但新的GFS被重新安置在LHCb洞穴中，距離大約22...

統計資料

束流-氣體交互作用的發生率約為LHCb質子-質子（pp）碰撞率的4%。
每年可收集約100 pb-1的束流-氣體碰撞數據。
儲存單元長20厘米，內徑1厘米，壁厚200微米。
儲存單元壁與束流的標稱距離為5毫米，在特殊運行情況下（如範德梅爾光度掃描），該距離會減小到3毫米。
儲存單元相對於VELO射頻箔的位置和方向的測量精度：參考點的位置確定精度為100微米（一個標準差），方位角的精度為0.51毫弧度。
升級後的VELO探測器在其閉合位置距離束流軸的最小標稱距離為3.5毫米。
LHC 中使用的非晶碳薄膜的典型厚度在 50 纳米到 200 纳米之间，并有一层 Ti 预涂层以增强附着力（在 100 纳米到 200 纳米之间）。

從以下內容提煉的關鍵洞見

High-density gas target at the LHCb experiment

by O. Boente Ga... 於 arxiv.org 11-12-2024

https://arxiv.org/pdf/2407.14200.pdf

深入探究

SMOG2系統的成功運行將如何促進我們對宇宙射線物理的理解，特別是在暗物質研究方面？

SMOG2系統通過在LHCb實驗中引入高密度氣體靶，為研究宇宙射線物理，特別是暗物質，提供了獨特的平台。其貢獻主要體現在以下幾個方面：

模擬宇宙射線與星際物質的相互作用: SMOG2系統可以使用氫氣（H2）和氦氣（He）作為靶，模擬宇宙射線主要成分（質子）與星際物質（主要為氫和氦）的碰撞。這將產生與宇宙射線在大氣層外產生的次級粒子種類和能譜相似的數據，幫助我們更準確地理解宇宙射線的起源、加速機制和傳播過程。

精確測量反物質產生截面: 暗物質湮滅或衰變被認為是宇宙中反物質的重要來源之一。通過精確測量SMOG2系統中反質子和其他反物質粒子的產生截面，我們可以將其與宇宙射線觀測結果進行比較，從而限制暗物質的性質，例如其質量和湮滅截面。

研究宇宙射線與星際物質相互作用中的核效應: SMOG2系統可以利用不同原子序數的氣體靶，例如氫氣、氦氣、氖氣等，研究宇宙射線與星際物質相互作用中的核效應。這些效應會影響宇宙射線產生的次級粒子種類和數量，進而影響我們對宇宙射線的理解。

提供更精確的宇宙射線背景數據: 宇宙射線是許多暗物質探測實驗的主要背景來源。SMOG2系統可以提供更精確的宇宙射線產生截面和次級粒子能譜數據，幫助這些實驗更好地理解和扣除宇宙射線背景，提高暗物質探測的靈敏度。

總之，SMOG2系統的成功運行將為我們提供寶貴的數據，加深對宇宙射線物理的理解，並為暗物質研究提供重要的線索。

在SMOG2系統運行過程中，如何應對和減輕由於高密度氣體靶與高能束流交互作用而產生的潛在輻射損壞和活化問題？

SMOG2系統運行過程中，高密度氣體靶與高能束流的交互作用確實會產生輻射損壞和活化問題，需要採取一系列措施來應對和減輕：

選用抗輻射材料: SMOG2系統的关键部件，例如儲存單元和尾场抑制器，都採用了抗輻射能力强的铝合金和Cu-Be2合金材料，以承受高能粒子的轰击，降低輻射損壞的风险。

低二次电子发射率涂层: SMOG2系統的儲存單元表面涂覆了非蒸散型吸气剂（NEG）涂层，可以有效降低二次电子发射率（SEY），抑制电子云的形成，从而减轻电子 multipacting 效应对束流的影响，并降低材料的活化。

精确控制气体密度和注入时间: SMOG2系統配备了精密的气体注入系统，可以精确控制气体密度和注入时间，将气体靶与束流的交互作用控制在合理范围内，最大限度地减少輻射損壞和活化。

模拟研究和束流测试: 在SMOG2系統的设计阶段，进行了大量的模拟研究，评估了不同运行条件下輻射損壞和活化的程度。在实际运行中，通过束流测试，监测关键部件的温度、真空度等参数，及时发现并处理潜在问题。

定期维护和更换部件: 对于受輻射損壞和活化影响较大的部件，例如尾场抑制器，SMOG2系統制定了定期的维护和更换计划，以确保系统的长期稳定运行。

通过以上措施，SMOG2系統能够有效地应对和减轻輻射損壞和活化问题，确保实验的顺利进行。

SMOG2系統的設計和運行經驗對於未來在其他高能物理實驗中應用類似技術有何啟示？

SMOG2系統的设计和运行经验为未来在其他高能物理实验中应用类似技术提供了宝贵的启示：

高密度气体靶与对撞机模式兼容性: SMOG2成功地将高密度气体靶集成到LHCb实验中，并实现了与对撞机模式同时运行，证明了这两种模式可以兼容，为未来在其他对撞机实验中应用类似技术提供了重要参考。

精确控制气体密度和靶尺寸: SMOG2系统采用的储存单元技术和精密气体注入系统，实现了对气体密度和靶尺寸的精确控制，保证了实验数据的可靠性和可重复性，这对于未来需要精确控制靶参数的实验至关重要。

低二次电子发射率涂层的重要性: SMOG2系统采用的NEG涂层有效抑制了电子云的形成，证明了低SEY涂层在高能束流环境中的重要性，这对于未来需要控制束流背景和活化的实验具有重要借鉴意义。

模拟研究和束流测试的重要性: SMOG2系统的设计和运行过程中，模拟研究和束流测试发挥了重要作用，帮助优化了系统设计，并及时发现了潜在问题，这对于未来复杂实验系统的研发至关重要。

多学科交叉合作的重要性: SMOG2系统的成功是加速器物理、探测器技术、材料科学等多学科交叉合作的成果，这对于未来需要解决复杂技术挑战的实验具有重要启示。

总而言之，SMOG2系统的成功经验表明，高密度气体靶技术在高能物理实验中具有广阔的应用前景，未来可以通过借鉴SMOG2的设计理念和运行经验，将其应用到更多实验中，推动粒子物理学的发展。