G - KEK

Report
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
2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya
1
Collider(衝突型加速器)の歴史
• 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
2
最初の電子・陽電子コライダー
• 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
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3
Evolution of Electron-Positron Colliders
2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya
4
参考までに
Evolution of Proton/Antiproton Colliders
2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya
5
シンクロトロン輻射
• 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
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6
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
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7
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
– 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
2013/10/11 JNIC ILC-Yokoya
positron linac
8
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
– 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 )
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9
Stanford Linear Accelerator
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10
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
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11
ILC のレイアウト
減衰リング
偏極陽電
子源
not too scale
偏極電子源
ビーム分配系、
検出器
陽電子主リナック
Beam dump
電子主リナック
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12
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)
Main Linac
BDS (Beam Delivery System)
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13
ILC Parame te rs ( TDR Exe c u tive Su mmary)
Baseline 500GeV Machine
Center-of-mass energy
ECM
Collision rate
frep
Electron linac rate
Number of bunches
nb
Bunch population
nb
Bunch separation
Dtb
Pulse current
Ibeam
Main linac average gradient
Average total beam power Pbeam
Estimated AC power
PAC
RMS bunch length
sz
Electron RMS energy spreadDp/p
Positron RMS energy spreadDp/p
Electron polarization
PPositron polarization
P+
Horizontal emittance
ge x
Vertical emittance
ge y
IP horizontal beta function b*x
IP vertical beta function
b*y
IP RMS horizontal beam sizes*x
IP RMS vartical beam size s*y
Luminosity
L
Fraction of L in top 1%
L0.01/L
Average energy loss
d BS
Number of pairs/bunch crossing
Total pair energy/bunch crossing
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1) 129MW
for 250GeV
machine
GeV
Hz
Hz
x10 10
ns
mA
MV/m
MW
MW
mm
%
%
%
%
mm
nm
mm
mm
nm
nm
x10 34/cm2s
%
%
x10 3
TeV
250
5
10
1312
2
554
5.8
14.7
5.9
1)
122
0.3
0.19
0.152
80
30
10
35
13
0.41
729
7.7
0.75
87.1
0.97
62.4
46.5
350
5
5
1312
2
554
5.8
21.4
7.3
121
0.3
0.158
0.1
80
30
10
35
16
0.34
683.5
5.9
1
77.4
1.9
93.6
115
500
5
5
1312
2
554
5.8
31.5
10.5
163
0.3
0.124
0.07
80
30
10
35
11
0.48
474
5.9
1.8
58.3
4.5
139
344.1
L Upgrade
500
5
5
2625
2
366
8.8
31.5
21
204
0.3
0.124
0.07
80
30
10
35
11
0.48
474
5.9
3.6
87.1
4.5
139
344.1
Energy Upgrade
A
B
1000
1000
4
4
4
4
2450
2450
1.74
1.74
366
366
7.6
7.6
27.2
300
0.25
0.083
0.043
80
20
10
30
22.6
0.25
481
2.8
3.6
59.2
5.6
200.5
1338
27.2
300
0.225
0.085
0.047
80
20
10
30
11
0.23
335
2.7
4.9
44.5
10.5
382.6
3441
14
基本的ビームパラメータ(baseline, 5Hz)
•
•
•
•
•
繰り返周波数
パルスあたりバンチ数
バンチあたり粒子数
バンチ間隔
バンチ長
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5Hz
1312
2x10^10
554 ns
0.3 mm
•
•
•
•
水平エミッタンス
垂直エミッタンス
衝突点水平ビームサイズ
衝突点垂直ビームサイズ
10 mm
35 nm
474nm
5.9nm
15
電子源
• 偏極ビームが要求される (>80%)
• あまり問題はない
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16
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)
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17
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
18
ILCの設計 (undulator法)
• 電子エネルギー >150GeV
• 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%。
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19
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
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20
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
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21
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。
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22
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
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23
Positron Capture
• Captureはflux concentratorをbaselineとする
– 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
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24
Damping RingへのTransport
• Spin flip
– CaptureDRへの
5GeV lineで
longitudinaltransv
erse
– 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)
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25
3D View of Target Region
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26
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)
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27
Conventional e+ Source for ILC
Normal Conducting Drive and Booster Linacs in 300 Hz operation
e+ creation
20 triplets, rep. = 300 Hz
• triplet = 3 mini-trains with gaps
• 44 bunches/mini-train, Tb_to_b = 6.15 n sec
Drive Linac
go to main linac
2640 bunches/train, rep. = 5 Hz
• Tb_to_b = 369 n sec
Booster Linac
Several GeV
5 GeV
NC
300 Hz
NC
300 Hz
Target
Amorphous Tungsten
Pendulum or Slow Rotation
DR
Tb_to_b = 6.15 n sec
2640 bunches
60 mini-trains
Time remaining for damping = 137 m sec
T.Omori
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28
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
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29
Damping Ring
• Damping Ringの役割
– 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
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30
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
• 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
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quadrupole
section
dipole
section
31
Damping Ring Configuration
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32
Damping Ring Requirements
Beam energy
Train repetition rate
Main linac bunch separation
Number of bunches per train
Buncg population
Injection requirements
Normalized betatron amplitude (Ax+Ay)max
Energy range (full)
Bunch length (full)
Extracted beam
Normalized horizontal emittance
Normalized vertical emittance
Rms relative energy spread
Rms bunch length
Maximum allowed transfer jitter
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5 GeV
5 ns
554 ns
1312
2.00E+10
0.07 m.rad
75 MeV
66 mm
5500
20
0.11
6
0.1
nm.rad
nm.rad
%
mm
sx, sy
33
Damping Ring Parameters
Circumference
Number of bunches
Bunch population
Maximum bunch current
Transverse damping time
Longitudinal damping time
Bunch length
Momentum compaction factor
Normalized horizontal emittance
Horizontal chromaticity
Vertical chromaticity
Wiggler firld
Number of wigglers
Energy loss per turn
RF frequency
Number of cavities
Total voltage
Voltage per cavity
RF synchronous phase
Power per RF coupler
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km
mA
ms
ms
mm
mm
T
MeV
MHz
MV
MV
deg
kW
5Hz mode
10Hz mode
Low power High lumi positron electron
3.238
3.238
1312
1312
2625
2.00E+10
2.00E+10 2.00E+10
389
389
779
23.95
12.86
17.5
12
6.4
8.7
6.02
6.02
6.01
3.30E-04
3.30E-04 3.30E-04
5.7
6.4
5.6
-51.3
-50.9
-51.3
-43.3
-44.1
-43.3
1.51
2.16
1.81
54
54
4.5
8.4
6.19
650
650
12
10
12
14
22
17.9
1.4
1.17
1.83
1.49
18.5
21.9
20.3
176
294
272
200
34
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
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35
Stripline Kicker
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36
Damping Ring Arc Cell
• 3m bend + 2QD +
1QF
• Sextupole at each
quad
• 2 BPM
• Correctors
– horizontal
– vertical
– skew quad
• momentum
compaction 3.3e-4
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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。
W ater c ooling tube bonded w ith high temp. epox y
Water Cooled Conductor
Tubular Heater
N EG
N EG
perforated
metal
N EG
Tubular Heater
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Tubular Heater
C lear ing
Elec tr odes
N EG
C oating
N EG
Tubular Heater
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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
TiN Coating
Baseline
Mitigation II
Solenoid
Windings
Antechamber
Antechamber
Alternate
Mitigation
NEG Coating
TiN Coating
Grooves with TiN
Coating
Clearing Electrodes
or Grooves
ECLOUD`10 (October 13, 2010, Cornell University)
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39
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
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40
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
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41
Feedforward
• Turn around を利用して、バンチ位置のfeedforward ができる。
• Turn around に入る直前のバンチ位置を測定し、もどって来
たときに補正する。
• 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。
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42
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
43
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
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44
BDS(Beam Delivery System)の構成
• BDSの役割は最終的にはビームを衝突点で絞ることで
あるが、それ以外に多数の装置が並んでいる
• 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
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45
BDS Main Parameters
BDS Parameters
Length per side
2254
Length of main extraction line
300
Length of tune-up extraction line
467
Maximum beam emnery
250
Maximum beam energy (with more magnets)
500
Distance from IP to first quad (ILD/SiD)
3.51/4.5
Crossing angle at IP
14
Normalized emittance (horizontal)
10000
Normalized emittance (vertical)
35
Nominal bunch length
300
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m
m
m
GeV
GeV
m
mrad
nm
nm
mm
46
BDS Layout
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47
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
• 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
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fast beam dump
fast kicker
– ML aperture 70mm
– Undulator aperture 6mm
– BDS aperture 12mm
undulator
48
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
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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、by =0.4mm、
L~6m、d ~1/500、
したがって x = 30
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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
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Final Focus System Optics
Single IR BDS optics (2006e)
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T.Tauchi, ILC camp 2013
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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
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T.Tauchi, ILC camp 2013
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Comparison of Tolerances
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T.Tauchi, ILC camp 2013
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ILC-ATF2-FFTB comparison
ILC 500GeV
design
Local
correction
chromaticity
method
correction
Beam energy
250GeV
L*
3.5m
sp/p
0.12%
bx* x by* (mm)
11x0.48
ex x ey (pm)
0.02x0.07
sy*
5.9
L*/by* x sp/p
8.75
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ATF2
design achieved
FFTB
model
result
Local chromaticity
correction
Global chromaticity
correction
1.28GeV
1.00m
0.10%
0.06%
40x0.1
2.0x12
2.0x20
37
65
10
6
46.6GeV
0.40m
0.05%
10x0.1
0.33x20
45
70
2
57
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
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Shintake monitor schematics
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Measued Beam Size at ATF2
• ATF2で約65nmを達成
• 目標は37nm
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Interaction Region Layout
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Final Doublet
• Final doublet
–
–
–
–
Under study at BNL
• QD0 Jitter
Split QD0 (2m) into 2 pieces
– Simulation by White below
Easier mechanical support
– Shows average, 10%, 90% CL
Flexibility for low energy optics
– Luminosity loss 1%
 jitter < 50nm rms
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Crab Crossing
• 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
sx/f
2f
For ILC, 2 cavities at 13.4m from IP, 3.9GHz
sz
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IP Feedback
• Bunch interval is long enough for
intra-train digital feedback
– Advantage of SC collider
• Large disruption parameter
– Dy = 25
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Cost Breakdown by Area Systems
ILC Units - Millions
Main
Cost
Driver
Conventional Facilities
Components
2013/10/3 Shoureikai Yokoya
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500GeVまでのStaging Scenario(s)
500GeV operations
Main Linac
civil construction + installation
e+ src
BC
BDS
e+ src
start civil construction
BDS
IP
500GeV operations
BC
Main Linac
IP
BC
Main Linac
final installation/connection
removal/relocation of BC
Removal of turnaround etc.
e+ src
Installation/upgrade shutdown
BDS
IP
Installation of addition
magnets etc.
BC
2013/10/3 Shoureikai Yokoya
Main Linac
e+ src
Commissioning / operation at 1TeV
BDS
N.Walker, granada
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IP
TeV Upgrade : From 500 to 1000 GeV
<10.8 km ?
10.8 km
Main Linac
<Gcavity> = 31.5 MV/m
Geff
≈ 22.7 MV/m
(fill fact. = 0.72)
km
≥ 40 MV/m)
2013/10/3 Shoureikai Yokoya
2.2 km
e+ src
bunch comp.
Main Linac
Snowmass 2005 baseline recommendation
for TeV upgrade:
Gcavity = 36 MV/m
⇒ 9.6
(VT
1.3 km
1.1 km
<26 km ?
(site length <52 km ?)
BDS
IP
central region
Based on use of
low-loss or reentrant cavity
shapes
N.Walker, granada
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