First study of collimator design for the FCC-ee

The Future Circular Collider, in its lepton flavour (FCC-ee), is a design study for a future e+e− collider. Stored beam energies up to 20.7 MJ are foreseen, a value almost two orders of magnitude higher than any previous lepton collider. Considering the intrinsic damage potential of the FCC-ee beams, a collimation system to protect the most sensitive equipment from unavoidable losses is indispensable. The purpose of this work is the design optimization of the FCC-ee collimators for beam loss cleaning, starting from a previous assumption with a collimator design taken over directly from the Large Hadron Collider (LHC). A first optimization study has been carried out relying on the experience developed with currently operating colliders, such as the LHC, or its predecessor, the Large Electron-Positron collider (LEP), and exploiting approximated analytical considerations. Based on these arguments, a configuration has been proposed, consisting of two 33 cm molybdenum carbide-graphite primary collimators and six 30 cm molybdenum secondary collimators. The cleaning performance of this configuration has been evaluated through computer simulations, including both magnetic tracking and particle-matter interactions. The results show that the cleaning performance is similar to the one of the previous LHC assumption but, with improved impedance characteristic. Furthermore, an improved cleaning performance has been demonstrated when aligning the proposed configuration collimators to the beam divergence. In addition, an impact parameter scan on the primary collimators has been performed to identify the most critical case for protecting sensitive equipment. This analysis provided a critical impact parameter of 1 μm without considering synchrotron radiation emission and lattice tapering, 0.1 μm when these aspects are included, and about 0.5 μm when additionally aligning the collimators to the beam divergence. Furthermore, a study of the particle leakage from primary collimators has been carried out, using idealized block material targets, with the goal of providing input to future FCC-ee collimator design iterations. The employed simulation tools have also been successfully benchmarked against measured data and other existing tools for collimation studies.

Il Future Circular Collider, nella sua versione leptonica (FCC-ee), è un progetto per un futuro collisore e+e−. L’energia immagazzinata nei fasci raggiungerà 20.7 MJ, un valore circa due ordini di grandezza superiore a qualsiasi altro collisore leptonico finora realizzato. Di conseguenza, è indispensabile un sistema di collimazione che protegga i componenti più sensibili dalle inevitabili perdite di fascio. Lo scopo di questo lavoro è l’ottimizzazione dei collimatori di FCC-ee per la pulizia delle perdite di fascio, partendo da una precedente ipotesi basata sulla configurazione dei collimatori del Large Hadron Collider (LHC). È stato dunque condotto un primo studio di ottimizzazione basandosi su considerazioni analitiche approssimate e sull’esperienza maturata con collisori attualmente in funzione, come LHC, o il suo predecessore, il Large Electron-Positron collider (LEP). A seguito di questo studio, è stata proposta una configurazione per il sistema di collimazione costituita da due collimatori primari di carburo di molibdeno-grafite lunghi 33 cm e sei collimatori secondari di molibdeno lunghi 30 cm. Le prestazioni di questa configurazione sono state valutate mediante simulazioni a computer di tracciamento magnetico e interazione particelle-materia. I risultati di questa analisi hanno mostrato prestazioni simili a quelle offerte dalla prima ipotesi di configurazione basata su LHC, ma con migliori caratteristiche di impedenza. Inoltre, sono state evidenziate migliori prestazioni quando i collimatori della configurazione proposta vengono adattati alla divergenza del fascio. È stata poi svolta una scansione dei parametri d’urto sui collimatori primari per identificare il caso più critico per la protezione dei componenti più sensibili. Questa analisi ha restituito un parametro d’urto critico di 1 μm quando non si considera l’emissione di radiazione di sincrotrone e il conseguente adattamento del reticolo magnetico, di 0.1 μm quando invece si considerano questi aspetti e di circa 0.5 μm quando inoltre si adattano i collimatori alla divergenza del fascio. Inoltre, considerando bersagli ideali consistenti in blocchi di materiali diversi, è stato svolto uno studio della perdita di particelle dai collimatori primari, con l’obiettivo di fornire spunti per future iterazioni per la progettazione dei collimatori di FCC-ee. Gli strumenti di simulazione utilizzati sono stati infine validati con dati sperimentali e altri strumenti di simulazione esistenti.