国際リニアコライダー加速器の全体設計 横谷 馨 原子力情報センター講演会

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1 国際リニアコライダー加速器の全体設計 横谷 馨 2013.10.11 原子力情報センター講演会
横谷　馨 原子力情報センター講演会 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

2 Collider（衝突型加速器）の歴史 ビーム同士を衝突させると ECM >> mc2 になると衝突型がはるかに有利になる
標的に当てる場合、ビームエネルギーEと重心系エネルギーECM の関係は ビーム同士を衝突させると ECM >> mc2 になると衝突型がはるかに有利になる 電子・陽電子、陽子・反陽子のように質量が同じで電荷が逆の場合、１つのリングですむ その後、２つのリングで多数のバンチを衝突させるようになった 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

3 最初の電子・陽電子コライダー その後多数のリングコライダーが建設された
最初の衝突型加速器は1964年にフランスOrsayで衝突実験を開始したAdA 軌道半径 65cm、 ECM = 0.5GeV その後多数のリングコライダーが建設された 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

4 Evolution of Electron-Positron Colliders
2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

5 Evolution of Proton/Antiproton Colliders
参考までに Evolution of Proton/Antiproton Colliders 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

6 シンクロトロン輻射 リング型コライダーのエネルギー限界はこれで決る ただし、わるいことだけではない 放射光の光源として使える
荷電粒子は軌道が曲げられると光子を放出してエネルギーを失う 単位時間のエネルギー損失は 1/m4 に比例 電子（陽電子）の場合、リング一周あたりのエネルギー損失は リング型コライダーのエネルギー限界はこれで決る ただし、わるいことだけではない 放射光の光源として使える リニアコライダーでは、減衰リングに使える 一方、陽子のコライダーのエネルギー限界は磁場で決っている 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

7 LEP: 最大のリング型コライダー LEP (Large Electron-Positron Collider) CERN
1983年建設開始、1989年運転開始 1周27km 最終的にビーム エネルギー 約100GeV ECM = 209 GeV 2000年終了 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

8 電子・陽電子 リニアコライダー リングコライダーはシンクロトロン輻射による限界がある これ以上のエネルギーではリニアコライダーしかない
LEP は ECM = 209GeV まで これ以上のエネルギーではリニアコライダーしかない 1960年代はじめに提案 electron linac positron linac 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

9 SLC：最初のリニアコライダー 単一リナックによるリニアコライダー SLACにおいて 1987 に完成
ビームエネルギー46GeVなら、1周回すことは可能 SLACにおいて 1987 に完成 1989年4月に最初の Z0 event LEPとの競争 偏極電子ビーム(~80%) 1998年に運転終了 luminosity 3x1030 /cm2/s (設計値 6x1030 ) 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

10 Stanford Linear Accelerator
2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

11 Linear Collider の Technical Challenge
Ring colliderと違う点は、single passであること 加速装置を1回しか通過しない 1回限りの衝突でビームは捨てられる このため２つの課題が発生する 高加速勾配  早野氏講演 装置全長は加速勾配で決る 微細ビーム ビームの衝突頻度が低い 高いルミノシティを得るには衝突点でビームを小さくする必要がある 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

12 ILC のレイアウト 減衰リング 偏極電子源 陽電子主リナック ビーム分配系、 検出器 偏極陽電子源 電子主リナック
Beam dump 電子主リナック not too scale 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

13 加速器の構成 電子源 陽電子源 減衰リング（DR, Damping Ring） RTML (Ring To Main Linac)
BDS (Beam Delivery System) 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

14 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

15 基本的ビームパラメータ（baseline, 5Hz）
パルスあたりバンチ数 1312 バンチあたり粒子数 2x10^10 バンチ間隔 554 ns バンチ長 0.3 mm 水平エミッタンス 10 mm 垂直エミッタンス 35 nm 衝突点水平ビームサイズ 474nm 衝突点垂直ビームサイズ 5.9nm 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

16 電子源 偏極ビームが要求される　（>80%） あまり問題はない 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

17 陽電子源 陽電子生成の３つの方法 Undulator法 （ILC baseline で採用）
Conventional Method（従来の方法） 数GeVの電子を標的に当て、発生する陽電子を回収する。 これまでに頻繁に使われて、技術は確立されている ILCへの応用上の問題点は 標的が耐えられるか OK （遅い運動標的試験中） 発生する陽電子のエミッタンスがやや悪い  OK (DRの改良） DRまでの輸送部分の設計ができていない 偏極陽電子が得られない Laser-Compton法　（将来の方法） 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

18 Undulator法 数100GeVの電子ビームを磁石（undulator）により蛇行させると、数10MeVの輻射を出す。これを標的に当てて発生する陽電子を回収する。 平面上の蛇行でなく、螺旋状の運動（Helical Undulator）なら、発生する輻射は円偏光し、偏極陽電子が得られる。 この方法は各種の欠点を持つ 電子・陽電子の運転が独立にできない まだ実際に使われたことがない undulatorについては小規模テストができない、などなど 電子のエネルギーが低くなると急激に光子生成率がわるくなる であるが、偏極陽電子ができるという利点が強い 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

19 ILCの設計 (undulator法) 電子エネルギー >150GeV Undulator 標的はチタン合金の回転型
主リナック終端に置く Helical, superconducting 長さ ~150m (偏極陽電子が必要な場合~200m) K=0.92, l=1.15cm, (軸上でB=0.86T) beam aperture 5.85mm （直径） 標的はチタン合金の回転型 陽電子回収には、Flux Concentratorを用いる 400MeVまでは常伝導加速 Polarizationは、~30%。Photon collimatorを使えば ~60%。 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

20 陽電子生成率 Undulatorをリナック終端におくため、陽電子生成率は、電子エネルギー（＝実験の重心系エネルギーの半分）による
150GeV以下では、陽電子が不足する ILCでは、これ以下の場合、電子側を10Hz運転することで、Luminosityをかせぐ 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

21 10Hz Operation Ecm < ~300GeV では「10Hz運転」を採用する 電子linac 10Hz
5Hzは陽電子生成用（150GeV） 5Hzは衝突用（Ecm/2） 電子linac端に 5Hz pulse magnetが必要 陽電子linac 5Hz 衝突は5Hz Damping ringでの減衰のための時間は100ms Wigglerの設計変更（RDRからの） 陽電子DRでは、交互に100msの空白がある Loading補正OK Klystronの10Hz運転はOK 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

22 標的 チタン合金の車輪（直径1m）を、2000rpm（縁辺速度100m/s）で回す これは1msの間の熱の集積を防ぐため
円盤でなくスポーク形状になっているのは、磁場中の回転で発生する eddy currentを減らすため Cockcroft Insituteでeddy current試験中の回転標的。 実際の標的は真空中で回転させる。 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

23 標的 (2) 真空中で100m/sで動く標的が必要 LLNLで2社からのFerromagnet sealをつかって試験中
十分な成果は上がっていない Outgassing spikes still being observed More works needed market products don’t work 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

24 Positron Capture Captureはflux concentratorをbaselineとする パルス継続時間1msが問題
これはRDRから変更なし ただし、max fieldは5T3.5Tに下げる (simulationの結果、これで十分） パルス継続時間1msが問題 これもLLNLで試験中 これはQWT (Quarter Wave Transformer) で置換え可能 ただし、1.6倍の長さのundulatorを必要とする 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

25 Damping RingへのTransport
Spin flip CaptureDRへの5GeV lineで longitudinaltransverse Flipは超伝導ソレノイドの極性逆転 高速flip (5Hz) については ２ソレノイドの並行ラインがトンネルに入るか検討 物理側の強い要求 Remote handling R&D体制を考える　（標的システムの交換頻度が年１回くらいなら不要か） 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

26 3D View of Target Region 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

27 Timing 問題 概数でいえば、IP図の右端 = n x (CDR/2)
電子ビームを使って次の衝突用の陽電子を生成するために、陽電子軌道の全長に面倒な条件が加わる ( L4 + D1 + L3 ) – L2 = n x CDR From Kuriki, BTR-DESY 概数でいえば、IP図の右端 = n x (CDR/2) リナック長が閾を越えると、リナック長をCDR/2=1.6km 延ばさなければならなくなる。 微調整は、DRの周長制御で可能　（現在、n は10程度） 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

28 Conventional e+ Source for ILC
Normal Conducting Drive and Booster Linacs in 300 Hz operation e+ creation go to main linac 20 triplets, rep. = 300 Hz • triplet = 3 mini-trains with gaps • 44 bunches/mini-train, Tb_to_b = 6.15 n sec 2640 bunches/train, rep. = 5 Hz • Tb_to_b = 369 n sec Drive Linac Several GeV NC 300 Hz Booster Linac 5 GeV NC 300 Hz DR Target Tb_to_b = 6.15 n sec Amorphous Tungsten Pendulum or Slow Rotation 2640 bunches 60 mini-trains Time remaining for damping = 137 m sec T.Omori 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya 28

29 Bunch Pattern Moving target still needed but much slower T.Omori
=132 bunches Moving target still needed but much slower <-- the 100 ns gap is required to cure an e- cloud problem in e+ DR. T.Omori 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

30 Damping Ring Damping Ringの役割 メカニズム
与えられた時間（200ms、10Hz運転の場合 100ms）内にEmittanceの小さいビームをつくる 全バンチ（最大約2600）を一時貯蔵する メカニズム 平衡エミッタンスの小さい曲線部 ウィグラー磁石により さらに平衡エミッタンスを下げ、かつ 減衰時間を短縮する 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

31 Damping Rings 要求 gex = 5.5 mm, gey = 20nm 減衰に使える時間は100ms
第1段階1312 bunches、最大2625 bunches bunch-by-bunch injection/extraction quadrupole section dipole section 一周 ~3km 第1段階では電子・陽電子各１リング バンチ間隔~6ns 2625バンチに移る時点で、（必要なら）陽電子１リングを追加する electron cloud次第 電子は１リングのまま。バンチ間隔3ns 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

32 Damping Ring Configuration
2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

33 Damping Ring Requirements
2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

34 Damping Ring Parameters
2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

35 Injection/Extraction
バンチ数が多い（1312~2625） 線形加速器ではバンチ間距離が長い（600~300ns） これをそのまま貯蔵するには、一周が 2625 x 300ns x (3x108m/s) = 240km のリングが必要 したがって、バンチ間距離を圧縮して貯蔵する 出し入れは1バンチずつ、高速キッカーで行う キッカーの速さがリングの大きさを決める。 この技術は、ATFでのR&DでほぼOK 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

36 Stripline Kicker 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

37 Damping Ring Arc Cell 3m bend + 2QD + 1QF Sextupole at each quad 2 BPM
Correctors horizontal vertical skew quad momentum compaction 3.3e-4 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

38 電子雲不安定性 なんらかの課程で発生した低エネルギー電子が、陽電子ビームに引きつけられて、陽電子の軌道を乱す KEKBで経験している 対策
ビームパイプにAnti-chamber（側室）を作る ビームパイプ内面の表面処理 コイルをビームパイプに巻いて磁場を作る（KEKBで採用） ビームパイプ内面に溝を作る (groove structure) 電子を吸着する電極 (Clearing Electrode) などなど。 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

39 電子雲不安定性 国際的チームによる米国CESR-TA での研究
Gave recommendation for the mitigation method (table below) Arc and wiggler sections requires antichamber Full power in 3.2km ring needs aggressive mitigation plan No significant difference between 6.4km with 2600 bunches and 3.2km with 1300 bunches EC Working Group Baseline Mitigation Recommendation Drift* Dipole Wiggler Quadrupole* Baseline Mitigation I TiN Coating Grooves with TiN coating Clearing Electrodes Baseline Mitigation II Solenoid Windings Antechamber Alternate Mitigation NEG Coating Grooves with TiN Coating Clearing Electrodes or Grooves ECLOUD`10 (October 13, 2010, Cornell University) 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

40 Damping Ring Vacuum Chamber
陽電子リングでは、CESR-TA teamの推薦にしたがい下図のようにする 電子雲以外の不安定性はシリアスでない 電子リングでは、FII (Fast Ion Instability) がもっとも重要 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

41 RTML (Ring To Main Linac)
減衰リングからリナックへのビームの輸送 スピンの回転　（spinを垂直方向から水平面内に回す。solenoid + bend + solenoid） Feedforward バンチ長の圧縮 ビームの中途ダンプ 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

42 Feedforward Turn around を利用して、バンチ位置のfeedforward ができる。
とくに、減衰リングの取出しキッカーのfluctuationの結果をなおすことができる。 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

43 バンチ圧縮 衝突点での砂時計効果を緩和するためにバンチを短くする。 加速空洞とシケインの組合せ
Damping Ringでの平衡バンチ長は 6mm。これを 300 mm に圧縮する。 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

44 Double-Stage Compressor
バンチの長さを減衰リングでの6mmから、リナックでの300mm（1/20）に圧縮する（RDRでは9mm300mm（1/30 ） ） 加速・シケインの組合せ SB2009では1段で1/20にすることにしたが、TDRではRDRの2段式にもどす 2段式のほうが高価であるが、150mmまで圧縮できる性能がある。 ただし、標準パラメータは300mm 誤差の許容値も大きい。たとえばRF phase error toleranceは correlated errors: ∆φ ~ 0.16° /0.32°– SB2009/ RDR uncorrelated errors: ∆φ ~ 0.40° /0.6°– SB2009/ RDR 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

45 BDS(Beam Delivery System)の構成
Machine Protection System 調整・緊急用ビームダンプ コリメータ ビーム診断セクション (beam energy, emittance, 偏極) Muon absorber Crab cavity Feedback system 衝突後のビーム診断(beam energy,偏極) Main beam dump 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

46 BDS Main Parameters 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

47 BDS Layout 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

48 MPS (Machine Protection System)
Main linacはエネルギーずれ20%のビームでも通せるが、BDSの許容幅は極めて小さい ML aperture 70mm Undulator aperture 6mm BDS aperture 12mm fast beam dump undulator fast kicker Main linacのなんらかのトラブルでエネルギーの大きく異なるビームがBDSに入るとmachine/detectorをこわす可能性がある これを止めるために、undulatorの上流にMPSを置く シケインとBPM (Beam Position Monitor)によりそのようなバンチを検出して、後続のバンチをfast kickerで蹴りだす 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

49 Muon Wall Collimatorに衝突した粒子の一部はmuonを発生する これはほとんどとまらずにdetectorに達する
これを阻止するために、トンネル断面をほとんど覆う磁化した鉄を使う RDRより 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

50 色収差 最後の4極磁石から焦点 （ s=0 ） までの距離を L とする。 p=p0 の粒子はこの点で絞られている。
p=p0(1+d) の粒子は、 4極磁石から L(1+d) あたりに焦点がくる。 この焦点は、s=0 から Ld だけずれているから、そこでのベータ関数は したがって色収差の目安は ILCでは、y =0.4mm、L~6m、 ~1/500、 したがって x = 30 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

51 Local Chromaticity Correction
現在のILCの設計では、dispersion関数のゼロでない場所に、4極磁石と6極磁石を並べて置き、その場で色収差を消す方法をとっている。 右側の6極磁石の組は、Final Doublet （最後の2つの4極磁石）が作る色収差を消す。 左側の6極磁石の組は、右側の組がつくった非線形性を相殺する目的で置かれている。 この方式は ATF2 で採用されている 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

52 Final Focus System Optics
Single IR BDS optics (2006e) 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

53 T.Tauchi, ILC camp 2013 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

54 ATF2 ILC最終収束系のミニチュア ILCと同じ光学原理 国際的プロジェクト (予算・人材) ~25研究所から100名以上の参加
目標 : ビームサイズ ~35nm、　 ビーム中心の安定化 ~ 数 nm 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

55 T.Tauchi, ILC camp 2013 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

56 Comparison of Tolerances
T.Tauchi, ILC camp 2013 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

57 ILC-ATF2-FFTB comparison
2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

58 IP Beam Size monitor (BSM)
(Tokyo U./KEK, SLAC, UK) Improvement FFTB BSM 1064nm=>532nm dynamic range: 35nm up to a few mm phase scanning mode Shintake monitor schematics 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya 58

59 Measued Beam Size at ATF2
ATF2で約65nmを達成 目標は37nm 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

60 Interaction Region Layout
2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

61 Final Doublet Final doublet QD0 Jitter Under study at BNL
Split QD0 (2m) into 2 pieces Easier mechanical support Flexibility for low energy optics QD0 Jitter Simulation by White below Shows average, 10%, 90% CL Luminosity loss 1%  jitter < 50nm rms 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

62 Crab Crossing sx/f 2f sz 実験へのbackgroundをさけるため、ILCでは14 mradの交差角をつける
14mrad >> sx /sz であるためこのままではluminosityがほとんどなくなる ILCではcrab crossingは必須 電子・陽電子側のクラブ空洞のタイミング誤差の許容値がきびしい sz sx/f 2f For ILC, 2 cavities at 13.4m from IP, 3.9GHz 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

63 IP Feedback Bunch interval is long enough for intra-train digital feedback Advantage of SC collider Large disruption parameter Dy = 25 2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya

64 Cost Breakdown by Area Systems
Main Cost Driver Conventional Facilities Components 2013/10/3 Shoureikai Yokoya 64

65 500GeVまでのStaging Scenario(s)
500GeV operations start civil construction BC Main Linac BDS e+ src IP civil construction + installation 500GeV operations BC Main Linac BDS e+ src IP Installation/upgrade shutdown An obvious possible approach to minimizing downtime for physics. Assume something like a total of 5 year construction with perhaps months with no physics?? BC Main Linac BDS e+ src IP final installation/connection removal/relocation of BC Removal of turnaround etc. Installation of addition magnets etc. Commissioning / operation at 1TeV BC Main Linac BDS 2013/10/3 Shoureikai Yokoya N.Walker, granada e+ src IP

66 TeV Upgrade : From 500 to 1000 GeV
<26 km ? (site length <52 km ?) 1.1 km <10.8 km ? 10.8 km 1.3 km 2.2 km Main Linac BDS e+ src IP bunch comp. Assume Higher Gradient Main Linac <Gcavity> = 31.5 MV/m Geff ≈ 22.7 MV/m (fill fact. = 0.72) central region Snowmass 2005 baseline recommendation for TeV upgrade: Gcavity = 36 MV/m ⇒ 9.6 km (VT ≥ 40 MV/m) Based on use of low-loss or re-entrant cavity shapes 2013/10/3 Shoureikai Yokoya N.Walker, granada