ILC加速器概要 （Main Linac および 土木以外）

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1 ILC加速器概要 （Main Linac および 土木以外）
K. Yokoya TDR検証部会 2015/1/26 TDRWG Yokoya

2 ILC Accelerator Overview
2015/1/26 TDRWG Yokoya

3 設計方針 Design Principle Parameter Committeeの要請（2006）
重心系エネルギー GeV 1TeVまで増強可能 Luminosity Commissioning後の最初の4年で500fb-1 (500GeV換算） 電子偏極 >80% 陽電子偏極はoption 2013年6月に公開されたTDRは、以下のILCの設計基準に 基づいている トンネル長は500GeVを基準とする 1TeV増強時はトンネルを延長し、いくつかのコンポーネントを移動する あとで変更のむずかしい部分は500GeVの時点で用意しておく ビームダンプは始めから1TeV用 BDSの長さは1TeV用（500GeVの時点では一部の磁石を間引いておく） 500GeVをbaseline stageおよびhigh-luminosity stageに分ける High-luminosity stageではバンチ数を倍にする（13122625） 2015/1/26 TDRWG Yokoya

4 ILC Accelerator 概要 レイアウト 2015/1/26 TDRWG Yokoya

5 TDRに要求された主な技術的課題(1) 電子源 陽電子源 減衰リング Polarized (>80%) beam Undulator
~90%も可能 陽電子源 Undulator Cockcroftで実機サイズのprototype製作、磁場試験成功 Rotating target R &Dとして残された唯一の項目 バックアップスキームあり 減衰リング Vertical emittance (2pm) ATFで~4pm達成、以後多くのlight source ringで1-2pmを達成 Fast kicker KEKで高速取出し成功、安定磁場達成 e-cloud instability CESR-TAで詳細研究、ILC設計確定 アンダーライン項目は2015年1月の会合で詳細説明をする 2015/1/26 TDRWG Yokoya

6 TDRに要求された主な技術的課題(2) RTML (Ring To Main Linac)
BDS (Beam Delivery System) Collimation 詳細simulation完了 Final beam size (~6nm at Ebeam=250GeV) ATF2で目標値近くを達成 Final doublet (SC magnet) BNLでプロトタイプ製作 2015/1/26 TDRWG Yokoya

7 主なトピックス 陽電子減衰リング 電子雲不安定性 陽電子生成 衝突点でのビームサイズチューニング
陽電子減衰リング　電子雲不安定性 陽電子生成 衝突点でのビームサイズチューニング 2015/1/26 TDRWG Yokoya

8 加速器の構成 (Accelerator Components)
電子源 (Electron source) 陽電子源 (Positron source) 減衰リング（DR, Damping Ring） RTML (Ring To Main Linac) Main Linac BDS (Beam Delivery System) 2015/1/26 TDRWG Yokoya

9 2015/1/26 TDRWG Yokoya

10 基本的ビームパラメータ Basic Beam Parameters（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 2015/1/26 TDRWG Yokoya

11 電子源 Electron Source 偏極ビームが要求される Polarized beam required （>80%）
2015/1/26 TDRWG Yokoya

12 電子源の最近の開発状況 Strain-Compensated Superlattice Obtained
Higher crystal quality Thicker superlattice Obtained Pol. ~92% With QE 2.2% N.Yamamoto (Nagoya Univ.) LCWS2014 2015/1/26 TDRWG Yokoya

13 陽電子源 Positron Source 3 schemes of positron production
Undulator scheme　（ILC baseline） Electron-driven scheme 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  ほぼ完了 偏極陽電子が得られない Laser-Compton法　（将来の方法） 2015/1/26 TDRWG Yokoya

14 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。 electron この方法はいくつか欠点を持つ 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 2015/1/26 TDRWG Yokoya

15 ILCの設計 (undulator法) Electron Positron Undulator 標的はチタン合金の回転型
電子エネルギー >150GeV IP (Experiments) e+ Booster e- DR Positron Electron e+ Main Linac BC Photon Undulator e- Main Linac e- Booster e+ Target e- gun e+ DR Undulator 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%。 2015/1/26 TDRWG Yokoya

16 Undulator Cockcroftで prototype製作 Undulator 製作 超伝導、ヘリカル（ラ セン状）
ピッチ 1.15cm K=0.92 (0.86T) ビーム孔径 5.85mm Cockcroftで prototype製作 1.75m undulator 2台 2008年9月に最初の冷却 試験 設計磁場強度実証ずみ 2015/1/26 TDRWG Yokoya 16 16

17 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、この問題を解決する 2015/1/26 TDRWG Yokoya

18 低エネルギー運転 ECM<300GeVでは陽電子数が不足する ECM=250GeVまでなら
Undulatorの長さを147m230mにのばせば足りる（ス ペースはもともと偏極陽電子のために用意してある） 標的へのloadはOK（photon energyが下がること、photon の発散角1/gが大きくなりスポットサイズが広がること） ECM < 250GeVではこれでも不足  「10Hz運転を採用する」 2015/1/26 TDRWG Yokoya

19 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） Klystronの10Hz運転はOK（XFELではこれが標準になっている） 電子リナックは交互にエネルギーの違う粒子が通る 軌道補正は衝突ビームに合わせる 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およびRFを強化する（TDRに含まれている） 陽電子DRでは、交互に100msの空白がある Loading補正OK したがって、10Hz運転に技術的問題はない 2015/1/26 TDRWG Yokoya

20 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 Institute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。（すぐ下流に加速空洞がある） 2015/1/26 TDRWG Yokoya

21 標的 (2) 真空中で100m/sで動く標的 が必要  真空シール
米国LLNLで2社からの Ferromagnet sealをつかって 試験をした 十分な成果は上がらなかっ た Outgassing spikes still being observed さらなるR&Dが必要 市販品では不十分 米国2015年度予算により実験再開の予定 POSIPOL2014（8月一関）において実験計画策定 Differential pumpingを用いる 2015/1/26 TDRWG Yokoya

22 LLNLでの試験の一例 J. Gronberg, ECFA13 2015/1/26 TDRWG Yokoya

23 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（TDRではこの長さを用意している） 2015/1/26 TDRWG Yokoya

24 補助陽電子源 Undulator法の場合、電子側が止まっていると、陽電子側はビームtuningもできない これを補うため補助陽電子源が必要
Auxiliary sourceの設計 500MeV S-band 常伝導linacを用いる 標的は、undulatorと共用 技術的には問題点はないが、詳細設計はまだ決っていない 0.4X0の厚みの場合、バンチ電荷2% 可能なら3X0のタングステン標的とモザイクにする。この場合、~20% パルスあたり数バンチ Ti W-Re 2015/1/26 TDRWG Yokoya

25 Damping RingへのTransport
Spin flip CaptureDRへ の5GeV lineで longitudinaltra nsverse 極性の異なる超 伝導ソレノイドを 使ったビームラ インを２つ設け、 キッカーによりパ ルスごとに偏極 の向きを変えら れるようにする 2015/1/26 TDRWG Yokoya

26 Remote handling 標的システム（標的、flux concentrator, 1.3m NCRF cavity）はリモートで交換できるようにする 交換頻度が年１回くらいなら不要か Preliminaryな設計あり 2015/1/26 TDRWG Yokoya

27 Timing 問題 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条件が加わる
( L1 + L2 + L3 ) – L4 = n x CDR 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。 TDRでは、n =9であるが、完全には整合していない サイト決定後の詳細設計で考慮することになっている 調整は、陽電子トンネル長あるいはDRの周長変更による　 2015/1/26 TDRWG Yokoya

28 陽電子生成の代替方式 undulator方式の標的開発が達成できなかった場 合の代替方式として、通常の方式（数GeVの電子 により陽電子を生成）を用意している 常伝導リナックによりdrive electron beamを作る このため、衝突ビームのビーム構造の縛りがなく なるため、標的上のthermal stress shockのすくな いパラメータを選ぶことができる 多年の技術的経験がある 唯一の欠点は偏極陽電子が得られないことである ILCの基本設計ではないので、TDRには詳細な設計 は記述されていないが、平行して設計が行われた 2015/1/26 TDRWG Yokoya

29 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 DR Tb_to_b = 6.15 n sec Booster Linac 5 GeV NC 300 Hz Drive Linac Several GeV Target Amorphous Tungsten Pendulum or Slow Rotation 2640 bunches 60 mini-trains Time remaining for damping = 137 m sec T.Omori 2015/1/26 TDRWG Yokoya 29

30 E-Driven方式の場合のBunch Pattern
=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 2015/1/26 TDRWG 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 2015/1/26 TDRWG Yokoya

32 Damping Ring Configuration
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33 Damping Ring Requirements
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34 Damping Ring Parameters
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35 Damping Ring Arc Cell 3m bend + 2QD + 1QF Sextupole at each quad 2 BPM
Correctors horizontal vertical skew quad momentum compaction 3.3e-4 2015/1/26 TDRWG Yokoya

36 Damping Ring Optics 2015/1/26 TDRWG Yokoya

37 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 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（次ページ） 2015/1/26 TDRWG Yokoya

38 ATF : Extraction test by fast kicker
Fast pulsarによるstrip line kicker で、30バンチの安定取出しに成 功（2010年10月）  蹴り角の安定性 (要求値 7x10-4) 単バンチでの再現性 3.5x  （実は、turn aroundでのfeed- forwardを考慮すれば、要求値 7x10-4はもっと緩められる） 大電流多バンチではstrip line の発熱の問題がある（これは ILC実機では問題ない。ATFでは ビームに非常に近い） 2015/1/26 TDRWG Yokoya

39 電子雲不安定性 なんらかの過程で低エネルギー電子が発生する 低エネルギー電子は陽電子ビームに引きつけられて、陽電子 の軌道付近に集まる
シンクロトロン輻射が壁に当たって光電子を放出する 残留ガスのイオン化 低エネルギー電子は陽電子ビームに引きつけられて、陽電子 の軌道付近に集まる 陽電子ビームによってさらに加速され、再び壁に当たって2次 電子を放出する これらの電子により、陽電子の軌道がみだされ、エミッタンスが 増加する 2015/1/26 TDRWG Yokoya

40 SEY (Secondary Electron Yield)
2次電子放出確率は1次 電子のエネルギーの関数 関数型はかなりユニバー サル 最大値で代表できる SEY < ~1.2 程度に抑える ことが必要 2015/1/26 TDRWG Yokoya

41 電子雲対策 Ante-chamber（側室） TiN coating Solenoid windings
Clearing electrode Triangular grooves SuperKEKB Dipole Chamber Extrusion Y. Suetsugu DR Wiggler chamber concept with thermal spray clearing electrode – 1 VC for each wiggler pair. Conway/Li 2015/1/26 TDRWG Yokoya

42 CESR-TA CornellのCESR Ringにおいて、国際チームによる詳細 研究が2008年にスタート　（Detailed study of e-cloud instability at CESR started in 2008 by an international team） Evolution of electron clouds under various cloud-mitigation techniques chamber coatings (TiN, alpha carbon) clearing electrodes grooved chambers can be monitored in various magnetic fields: drift, dipole, quadrupole, wiggler このためにCESRを改造した（Reconfiguration of CESR needed） ビームパラメータはILCと同じではない（Beam parameters are not identical to ILC） Extrapolation with computer simulation is needed 2015/1/26 TDRWG Yokoya

43 CESR Reconfiguration CHESS C-line & D-line Upgrades
Windowless (all vacuum) x-ray line upgrade Dedicated optics box at start of each line Detectors share space in CHESS user hutches L0 region reconfigured as a wiggler straight CLEO detector sub-systems removed 6 wigglers moved from CESR arcs to zero dispersion straight Region instrumented with EC diagnostics and mitigation Wiggler chambers with retarding field analyzers and various EC mitigation methods (fabricated at LBNL in CU/SLAC/KEK/LBNL collaboration) L3 EC experimental region PEP-II EC Hardware: Chicane, upgraded SEY station (coming on line in May) Drift and Quadrupole diagnostic chambers New EC experimental regions in arcs (wigglers a L0 straight) Locations for collaborator experimental chambers CESR Ring 2015/1/26 TDRWG Yokoya

44 EC Working Group Baseline Mitigation Recommendation
ILCでの電子雲対策 Final report of CESR-TA published in Jan. 2013 It gave recommendation for the mitigation method (table below) Arc and wiggler sections requires ante-chamber No significant difference between 6.4km with 2600 bunches and 3.2km with 1300 bunches Full power in 3.2km ring needs aggressive mitigation plan 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) 2015/1/26 TDRWG Yokoya

45 Simulation Example CESR-TA parameters are not identical to those of ILC-DR CESR-TA gives benchmark of simulation An example on the right shows The effect of SEY and ante-chamber Comparison between 6.4km ring with bunches and 3.2km ring with bunches (both are safe) antechamber SEY 1.2 SEY 1.4 2015/1/26 TDRWG Yokoya

46 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 (Vacuum chamber design follows the recommendation by CESR-TA team) 電子雲以外の不安定性はシリアスでない (Instabilities other than e-cloud are less serious) 2015/1/26 TDRWG Yokoya

47 Fast Ion Instability 電子リングでは、FII (Fast Ion Instability) がもっとも重要 (FII (Fast Ion Instability) is the most important in electron DR) これは電子ビームによる電離で発生したイオンの起こす不安定性　（Instability in Electron DR due to the ions produced in the ionization by the stored electron beam） Amplitude growth time several tens of turns at the vacuum pressure 0.5x10-7 Pa Feedback system needed (~20 turns) and feasible 2015/1/26 TDRWG Yokoya

48 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 2015/1/26 TDRWG Yokoya

49 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。 2015/1/26 TDRWG Yokoya

50 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 加速・シケインの組合せ 一時1段式も検討したが、TDRでは2段式を採用 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 2015/1/26 TDRWG Yokoya

51 Main Linac Key area of ILC Gradient at vertical test
~2/3 of the total cost Gradient at vertical test Average 35MV/m Accept cavities > % = 28MV/m Q0 > 0.8x1010 at 35MV/m yield > 90% (Up to 2 surface treatment passes) Average operating gradient 31.5MV/m Accept the range +/- 20% Q0 > 1xx1010 at 31.5MV/m ここではBeam Dynamicsについてのみ触れる 2015/1/26 TDRWG Yokoya

52 Main Linac Parameters 2015/1/26 TDRWG Yokoya

53 Linac Beam Dynamics Optics Focusing system
クライオモジュール3台ごとに、超伝導4極磁石1台を置く（SC magnet at the center of every 3rd cryomodule） 25GeVまでは弱い磁石を採用（Weaker magnets for up to 25GeV） 2015/1/26 TDRWG Yokoya

54 Main linac alignment tolerances
Main linac alignment tolerances (left) 右図はエミッタンス増加のsimulation結果（Simulation results of the emittance increase (right)） エミッタンス増加が与えられた値以下になる確率を示す（Fraction of simulated cases staying below the emittance-growth target ） TDR normalized vertical emittanceは、DRで20nm、衝突点で35nm 2015/1/26 TDRWG Yokoya

55 BDS(Beam Delivery System)の構成
Machine Protection System Tune-up/emergency dump Collimator Beam diagnostics section (beam energy, emittance, polarization) Muon absorber Crab cavity Feedback system Beam diagnostics after IP (beam energy, polarization) Main beam dump 2015/1/26 TDRWG Yokoya

56 BDS Main Parameters 2015/1/26 TDRWG Yokoya

57 BDS Layout 陽電子発生部分（電子側）終端 2015/1/26 TDRWG Yokoya

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59 Local Chromaticity Correction
Final Focus System (FFS)はSLACのFFTBで試験が行われたが、これはGlobal Chromaticity Correctionの原理によるものであった ただし、リング型コライダーのセンスで言えばこれも「Local Correction」の内に入るようで あるが 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 2015/1/26 TDRWG Yokoya

60 FF Optics Single IR BDS optics (2006e) 2015/1/26 TDRWG Yokoya

61 T.Tauchi, ILC camp 2013 2015/1/26 TDRWG Yokoya

62 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 ~37nm　（これは、ILCと 同じ色収差をあたえる）　 ビーム中心の安定化 ~ 数 nm 2015/1/26 TDRWG Yokoya

63 Comparison of ILC-FF and ATF2
T.Tauchi, ILC camp 2013 2015/1/26 TDRWG Yokoya

64 Comparison of Tolerances
ATF2で要求される許容誤差はILCとcomparable T.Tauchi, ILC camp 2013 2015/1/26 TDRWG Yokoya

65 ILC-ATF2-FFTB comparison
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66 IP Beam Size monitor (BSM)
(Tokyo U./KEK, SLAC, UK) レーザーの干渉縞を使う 波長532nm dynamic range: 20nm up to a few mm phase scanning mode Shintake monitor schematics ILC実機ではビーム衝突があるので、ビームサイズがわかるが、ATF2では相手ビームがないのでビームサイズモニターが必要 2015/1/26 TDRWG Yokoya 66

67 Progress in measured beam size at ATF2
IPAC2014, K. Kubo + ICHEP S.Kuroda Beam Size 44 nm observed, (Goal : 37 nm) 2015/1/26 TDRWG Yokoya

68 チューニングの速さ By April 2014 Interruption by BPM study including waist shift 2015/1/26 TDRWG Yokoya

69 微小ビームサイズの持続 ILCの環境条件はATF建物よりはるかに良いので、さらに長い持続が期待される
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70 ビーム強度依存性(Beam Intensity Dependence)
ATF2のビームサイズは目標値をほぼ達成した（20%以内）が、こ れまでの測定は強いビーム強度依存性を示している（ATF2 almost achieved the target beam size within 20%, but it shows strong dependence on the beam intensity） これはwakefieldの効果であり、ILCビーム強度の1/10ですでに効 果が現れていた（This is due to a wakefield effect. It is visible even at 1/10 of ILC intensity ） 4台のOTR（Optical Transition Radiation monitor）を取り除いたと ころ、大幅に依存性が弱くなった（The dependence was greatly weakened when 4 OTR monitors were removed） ILC実機では、ビームエネルギーがATF2より10-20倍高いこと、バ ンチ長（0.3mm）がATF2（~6mm）よりはるかに短いことのため、 wakefieldは問題にならないと考える　（The wakefield will not be an issue in the real ILC machine because the beam energy is times higher than at ATF2 and the bunch length is much shorter） 2015/1/26 TDRWG Yokoya

71 2015/1/26 TDRWG Yokoya

72 Removal of one of the wake sources
ビーム強度依存性は4台のOTR monitorを除いたときに大幅に緩 和された 横軸はバンチ強度（109単位） 縦軸はCompton event modulation（ビームサイズに逆比例） 左は除去前、右は除去後 2015/1/26 TDRWG Yokoya

73 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 バンチ間隔は十分ながく、技術的に問題はない 2015/1/26 TDRWG Yokoya

74 Collimator backgroundを減らすためにcollimatorをいれる 全長1kmにおよぶ
DE, x, x’, y, y’ の5つが必要 非常時（全ビームがcollimatorに当る）のcollimatorの 破壊を防ぐため、scattererとabsorberの組合せにす る Scatterer: 1 radiation length以下 absorber: scatterer から離して、シャワーが大きくなった場 所に置く 詳細なsimulation 十分な減衰を達成 2015/1/26 TDRWG Yokoya

75 Muon Wall 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 これによりmuonはほとんどIPに到達しない
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 これによりmuonはほとんどIPに到達しない RDRより 2015/1/26 TDRWG Yokoya

76 IR Region Layout Crossing angle 14mrad: trade off of
Detector demands (forward events) Final quad technology background 2015/1/26 TDRWG Yokoya

77 Final Doublet Final doublet QD0 Jitter Developed at BNL
Split QD0 (2m) into 2 pieces Easier mechanical support Flexibility for low energy optics QD0 Jitter Simulation by G.White below Shows average, 10%, 90% CL Luminosity loss 1%  jitter < 50nm rms 2015/1/26 TDRWG Yokoya

78 Crab Crossing Crossing angle 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 値がきびしいが、実験でほ ぼ達成されている sz sx/f 2f For ILC, 2 cavities at 13.4m from IP, 3.9GHz 2015/1/26 TDRWG Yokoya

79 Waist Shift 焦点をnominal interaction pointの手前に置く
Traveling focusは crab cavityの誤差に敏感なので、 baselineとしては採用しない 相手ビームの頭付近に焦点を作れば、焦点位置をバン チ上位置とともに動かさなくても、かなりの効果がある 焦点をnominal interaction pointの手前に置く ILCのパラメータの場合、0.8 sz あたりが最適 Official parameter setではこれを採用 2015/1/26 TDRWG Yokoya

80 Feedback at Interaction Point
衝突点で電子・陽電子ビームの位 置（とくにvertical）にズレがあると、 luminosityが大きく下がる（とくにDy が大きいとき） Dy = 25 in TDR ずれが大きいとbeam-beamによる deflectionも大きい したがって、 beam-beam deflectionを測定して、バンチごと の位置のfeedbackが可能　 （beam-beam interactionが、ビー ムずれの増幅器になる） これは、バンチ間距離の長い超伝 導colliderの利点。Digital feedback が可能 （常伝導colliderでは analogue feedbackがやっと） 2015/1/26 TDRWG Yokoya

81 IP Feedback System Test at ATF2
Oxfordの FONT groupがATFをつかって開発中 これまでビームラインの途中で行われていた ノイズを数分の１に落とすことに成功 今後、焦点に移動して実験 2015/1/26 TDRWG Yokoya

82 Beam Dump Main dumpは4カ所、いずれも最大18MW。これは1TeV運転 を見越している
ステンレス容器、直径1.8m、長さ11m (10X0) 高圧水（10気圧）で沸点を上げる 窓は直径30cm 厚さ1mmのチタン 1msの間、ビームは半径6cmの円を描く 水温は最高摂氏155度まで 2015/1/26 TDRWG Yokoya

83 ビームダンプ本体 衝突点へ向かうビーム 使用後ビーム ダンプ入射窓交換システム ビームダンプ遮へいおよび放射能閉じ込めのための室 水素再結合器 一次熱交換器 冷却水フィルター 貯留槽 2015/1/26 TDRWG Yokoya

84 Luminosity Upgrade Luminosity (x1034 /cm2/s) Baseline (1326 bunches)
ECM=250GeVでは、全体の繰返しを上げて、Luminosityを倍にすることが可 能 Collision rate 10Hz detectorの用意が要る ECM=500GeVでは、電力が不足する ECM=350GeVでは、7Hzくらいまで可能 High power (2625 bunches) RF system増強、およびe-cloudの状況によってはpositron DRの追加が必 要 ECM=250~500GeVにわたってLuminosity倍増が可能 Luminosity (x1034 /cm2/s) #of bunches Collison freq. 250GeV 350GeV 500GeV Baseline 1312 5 0.75 1.0 1.8 10(7) 1.5 (1.4) Hi power 2625 2.0 3.6 3.0 (2.8) 2015/1/26 TDRWG Yokoya

85 Staging Scenario(s) IP IP IP N.Walker, granada IP 500GeV operations
start civil construction BC Main Linac BDS e+ src IP civil construction + installation 500GeV operations BC Main Linac BDS An obvious possible approach to minimizing downtime for physics. Assume something like a total of 5 year construction with perhaps months with no physics?? e+ src IP Installation/upgrade shutdown 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 2015/1/26 TDRWG Yokoya N.Walker, granada e+ src IP

86 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 2015/1/26 TDRWG Yokoya N.Walker, granada

87 1TeV Parameter 配置 加速勾配 消費電力は 300MW以内に抑える Interaction point 上流に延長
turn-aroundは作り直し bunch compressorおよびMain Linac始めの部分（25GeVまで）は上流に移動 旧リナックは、250500GeV部分になる ラティスは、FDFD  FFDD にする undulatorは動かさない 加速勾配 平均運転勾配 31.5  45MV/m (Q0=1x1010  2x1010 消費電力は 300MW以内に抑える 繰返し周波数 5Hz  4Hz バンチ数　1312  2625  2450 バンチ内粒子数　2x1010  1.74x1010 Interaction point Beam-beam interactionは、beamstrahlungを5%に抑えたものと、10%のものと、2つ 用意する Detectorは基本的に500GeV CM のものと同じ Pair angleが増加しないようにする 2015/1/26 TDRWG Yokoya

88 まとめ TDRは2013年6月に最終的に完成・公開された 国際的な研究協力により、TDRが要求する技術的課題はほとん ど達成されている
偏極電子源 陽電子源アンジュレータ 減衰リング垂直エミッタンス 減衰リング入射取出しキッカー 最終収束超伝導磁石、などなど ATF2における最終収束系のビームサイズ試験は目標に極めて 近い値に達している。Wakefieldのためビーム強度はILCの設計 値より低いが、これはILCのビームエネルギーでは問題ない 残された課題として、陽電子生成のための標的の開発がある。 これは今後2年程度、プロトタイプの研究を行う。ただし、これに 関しては、成功しなかった場合のために、確実な代替案（e- driven source）が用意されている サイトの状況に応じた詳細な設計が進行中である 2015/1/26 TDRWG Yokoya