Transcript 10 - KEK

+
e
ソースの現状
大森
GDE 活動報告会
2008年6月23日
そもそも,,,
そもそも
+
ILC の e ソース
は難しい
GLC/NLC (warm LC)
Ne+/bunch = 0.7 x 1010
Nbunch/tarin = 300
GLC/NLC (warm LC)
Ne+/bunch = 0.7 x 1010
Nbunch/tarin = 300
ILC (cold LC)
Ne+/bunch = 2 x 1010
Nbunch/tarin = 3000
GLC/NLC (warm LC)
Ne+/bunch = 0.7 x 1010
Nbunch/tarin = 300
ILC (cold LC)
Ne+/bunch = 2 x 1010
Nbunch/tarin = 3000
x3
x 10
GLC/NLC (warm LC)
Ne+/bunch = 0.7 x 1010
Nbunch/tarin = 300
ILC (cold LC)
x3
x 10
Ne+/bunch = 2 x 1010
Nbunch/tarin = 3000
ILC の e+ ソースは GLC/NLC の３０倍難しい
GLC/NLC (warm LC)
Ne+/bunch = 0.7 x 1010
Nbunch/tarin = 300
ILC (cold LC)
x3
x 10
Ne+/bunch = 2 x 1010
Nbunch/tarin = 3000
ILC の e+ ソースは GLC/NLC の３０倍難しい
これはかなり乱暴なステートメント
GLC/NLC: パルス長 = 1 micro sec
ILC :
パルス長 = 1 m sec
GLC/NLC (warm LC)
Ne+/bunch = 0.7 x 1010
Nbunch/tarin = 300
ILC (cold LC)
x3
x 10
Ne+/bunch = 2 x 1010
Nbunch/tarin = 3000
ILC の e+ ソースは GLC/NLC の３０倍難しい
これはかなり乱暴なステートメント
GLC/NLC: パルス長 = 1 micro sec
ILC :
パルス長 = 1 m sec
ILC のe+ ソースの実現 --> パルス長 1 m sec を生かす --->
超高速 100 〜 200 m/sec で回転するターゲット
GLC/NLC (warm LC)
Ne+/bunch = 0.7 x 1010
Nbunch/tarin = 300
ILC (cold LC)
x3
x 10
Ne+/bunch = 2 x 1010
Nbunch/tarin = 3000
ILC の e+ ソースは GLC/NLC の３０倍難しい？
ターゲットの難しさを比較してみる
GLC
コンベンショナル(ドライブ beam --> e- beam)
ターゲットを３つ使う設計
ILC (base line)
アンジュレーター(high K) (ドライブビーム --> ガンマ）
ターゲットの熱負荷（und / conv = 1/3 by Clarke さん）
ターゲット一つでかつ回転が遅いと GLC の１０倍厳しい
超高速(100〜200 m/sec)回転ターゲット
GLC/NLC (warm LC)
Ne+/bunch = 0.7 x 1010
Nbunch/tarin = 300
ILC (cold LC)
x3
x 10
Ne+/bunch = 2 x 1010
Nbunch/tarin = 3000
ILC の e+ ソースは GLC/NLC の３０倍難しい？
ターゲットの難しさを比較してみる
GLC
コンベンショナル(ドライブ beam --> e- beam)
ターゲットを３つ使う設計
ILC (base line)
アンジュレーター(high K) (ドライブビーム --> ガンマ）
ターゲットの熱負荷（und / conv = 1/3 by Clarke さん）
ターゲット一つでかつ回転が遅いと GLC の１０倍厳しい
超高速(100〜200 m/sec)回転ターゲット <-- 予期せぬ問題発生
(後述)
Base Line
Helical Undulator based
Unpolarized Source
あまり前進していないので、昨年の報告会
(2007/10/29 by 大森)の復習が主です
BCD (December 2005)
Undulator は主リナックの途中
(150 GeV at Phase 1, phase 2 ??? 記述なし)
主リナックの終わり --> 主リナックの途中 に変更した理由は
ECM = 300 GeV - 500 GeV の運転に対応する為
ECM < 300 GeV への対応(重要 low mass Higgs, Z-pole)
記述なし、減速運転を暗黙のうちに仮定
Undulator 長
最初 100 m (active length)(unpolarized)
後で 100 m 追加(polarized 60%)
Target
Ti
Rotation tangential speed 100m/sec
作った e+ beam は IP を超えて反対側の端にある e+ DR へ
RDR (August 2007)
Undulator は主リナックの途中 (変更なし)
(150 GeV at Phase 1, phase 2 ??? 記述なし)
主リナックの終わり --> 主リナックの途中 に変更した理由は
ECM = 300 GeV - 500 GeV の運転に対応する為
ECM < 300 GeV への対応(重要 low mass Higgs, Z-pole)
記述なし、減速運転を暗黙のうちに仮定
Undulator 長
最初 147 m (active length)(unpolarized)(BCD x 1.5 倍)
呼び値は unpolarized だが実は 30 % polarized
後で ??? m 追加(polarized 60%) 記述なし
Target
Ti(変更なし)
Rotation tangential speed 100m/sec(変更なし)
作った e+ beam は 中央の e+ DR へ(トランスポートが短くなった)
Undulator 長(active長) が 100 m (BCD) --> 147 m (RDR)
と伸びた理由
BCD時点では target は 5 Tesla の磁場に浸かっている
(immersed target) と仮定されていた。
しかしそれでは eddy current のために target が回転できない
事が判明。 （無理やりに回転できると仮定すると eddy current
による発熱が e+ production による発熱の１ケタ以上多くなる
と判明）
target 上に磁場が無い design に変更 (shielded target)
capture efficiency が 〜30 % --> 〜 20 % に低下
Undulator 長を １．５ 倍に伸ばした
RDR (August 2007) 続き２
150 GeV 地点
500 m
offset 2.5 m
undulator insert 200 m
 line
Undulator chicane insert 1257 m
400 MeV
target e- linac
RDR (August 2007) 続き3
コスト
（in RDR）
Equipment
230 M$
Civil
170 M$
Manage & Install
83 M$
-----------------------------------total
483 M$
注 1） この中には Keep Alive Source (69 M$、高い！) が
含まれている
注２） この中には 3 GeV 分の主リナック, 同トンネル、同クライストロン
などは含まれていない。 主リナックのコストに含まているハズ
ある意味「隠れたコスト」になる恐れあり
3 GeV = undulator 147 m (active length) 通過時の e- beam
のエネルギーロス (要チェック und. =100 m での計算？)
undulator が長くなれば(Capture Efficiency がさがる、
60 % pol に upgrade、、） ロスは 3GeV 以上となる
大森による注釈:
RDR での値は
> 1.7 mm
赤四角は大森による
Jeff Gronberg/ LLNL
PosiPol2008
Undulator --> Target 間は 500 m のままで良いのか
by Wanming & Wei
ILC のベースライン(high K undulator) はガンマ・ベース
の陽電子源なのに、なぜかくもターゲット上のエネルギー
deposit が厳しいのか？
１．1st harmonic は population としては圧倒的大多数
であるが、陽電子生成(capture されて有効利用される e+) には、
たった５％しか寄与していない
（この後２枚のスライド参照）
しかし、ショックウエーブと熱は発生させる。
２．メインリナックの電子ビームを使うという制約の為に、
1 m sec の間に 3000 bunches を作る必要がある。
手持ち時間は
200 m sec - damping time
〜10-100 m sec
もあるにもかかわらず、、、、
大森による追記：
1st harmonic photon が
圧倒的多数(あたりまえだが)
by Wanming & Wei
大森による追記：
1st harmonic photon
の e+ 生成(capture
されて有効利用される
e+) への寄与は 5 %
程度
by Wanming & Wei
150 GeV 地点 (Ecm = 500 GeV の時) -> エミッタンス増加は無視できる
400 GeV 地点 (Ecm = 1000 GeV の時) -> エミッタンス増加 = 400%
off set 2.5 m
undulator insert 200 m
Undulator chicane insert 1257 m
参考
Beam Dynamics グループの人たちが主リナック等で
仮定しているアライメント・エラー (rms) 。
truncation は仮定した rms の３倍でおこなっている。
「水平面内のエラー〜（３−５）x垂直面内のエラー」と仮定
e- beam エミッタンス増大の懸念
Wake-Field の分は計算されている
ただしミスアライメントの仮定が楽観的すぎる。
アンジュレーターの傾き、曲がりは入っていない。
アンジュレーター長 100 m でシミュレーション
シンクロトロン放射の分は計算されていない。
X-Y coupling の分は計算されていない。
致命的ではないと思われているが、アンジュ
レーターの長さが増大している、100 m -> 150m
-> 300 m? こともあり、慎重なチェックが必要
赤四角は大森による
N. Walker e+ KOM (2007)
Undulator Comparison : High K (base line) & Low K (A .Mikhailichenko)
Scheme
“High K”
undulator
~200 m
Low K
undulator
~200 m
Compton
with
polarization
Photon energy
10MeV +
harmonics
20 MeV
30 MeV
Energy collimation before target
Not
possible
 to e+ (useful energies)
2%
50%
10%
Energy collimation after target
20%
25%
Capture efficiency
15%
40%
100%
Total efficiency
0.3%
4%
2.5%
Power deposition to target
10
1
1
V. Yakimenko e+ meeting at ANL (2007)
赤四角は大森による
M. Ross e+ meeting Zeuthen April 2008
赤四角は大森による
Wei Gai, CCAST ILC meeting, Beijing, Nov/2007
今のところ最大の問題は Ready-to-Construct
に一番近く、かつコンシステントなパラメーター
セット（デザイン）が存在しないこと。
大森が考えるところ(Wei さん他が言っている事とほぼ同じだが)、
今一番"もっともらしい"のは
・アンジュレーター長 = 300 m (RDR は 150 m)
・１／４波長マッチング (RDR はフラックスコンセントレーター)
・アンジュレーター to ターゲット ＝ 500 m + アルファ
(RDR は 500 m)
・Main Linac の energy 低下 = 6 GeV
(RDR は 3 GeV) <-- これはアンジュレーター長 147 m 相当
のハズ(この点、要チェック) なので
300 m なら 6 GeV
Alternative (a)
Conventional Source
Alternative (a)
Conventional Source
今となっては
Advanced Conventional Source
というべきか
The 300 Hz
Conventional
+
e Source
w/ Liquid Lead Target
Advanced e+ source
High possibility to make reliable target system
using liquid lead target and S-band linac as
one of advanced e+ source for ILC.
Junji Urakawa (KEK)
Present members : T. Omori (KEK), J.
Urakawa (KEK), M. Kuriki (Hiroshima
Univ.),T. Takahashi (Hiroshima Univ.),
Pavel Logachev (BINP, Novosibirsk)
J. Urakawa, GDE meeting Dubna June/2008
Question:
Can Liquid Lead Target (& BN window) survive the 3000-bunch-creation
in 1 m sec?
Answer:
No
BN window is OK against shock wave.
However,
BN window is broken by heat.
Lead evaporate.
Solution:
e+ Creation in 100 m sec --> 100 bunches/train x 300 Hz
BN window is OK for 100 bunches.
Lead dose not evaporate with 100 bunches.
Lead move 33 mm in 3.3 msec, then heat is removed.
(speed of lead = 10 m/sec, 300 Hz <--> Tt_to_t = 3.3 m sec
ドライブビームは 6 GeV 程度の e- beam （主リニアックとは独立）
Advanced Conventional e+ Source for ILC
Liquid Lead Target
Normal Conducting Drive and Booster Linacs in 300 Hz operation
e+ creation
go to main linac
100 bunches/train x 300 Hz
Tb_to_b = 6.15 n sec
3000 bunches/train x 5 Hz
Tb_to_b = 300 n sec
Drive Linac
5 -10 GeV
Booster Linac
5 GeV
NC
300 Hz
NC
300 Hz
Target
DR
Tb_to_b = 6.15 n sec
Liquid Lead
3000 bunches
We create 3000 bunches
in 100 m sec
Time remaining for damping = 100 m sec
Table : The 300 Hz Conventional e+ Source Option
with Liquid Lead Target
bunches/train :
100
repetition rate:
300 Hz
(We can create 3000 bunches in 100 m sec.)
drive beam energy:
6 GeV
bunch-to-bunch separation:
6.15 n sec
Ne/bunch (drive beam)
2x10^{10}
pulse length
600 n sec (6.15x100)
total energy of the drive beam bunch:
6x10^{9}x100x2x10^{10}x1.6x10{-19} J = 2000 J
Assume 20 % of 2000J is deposited in the target.
every deposit in the target: 400J
Assume 5 mm diameter of the beam on the target.
Weight of the target : 2 g = 0.0056 Kg
(2.5x2.5x3.14x28x11gx10x{-3} = 5.6 g)
delta T:
delta T = 400J / (140J/K*Kg) / 0.0056 Kg = 510 K
Summary of consideration of Liquid target for ILC
The conventional e+ source with the liquid lead target seems OK for ILC.
condition: We need 300 Hz operation of the drive beam and the injector.
Mini-bunch train: 100 bunches/pulse
(50 to 200 bunches/pulse)
Require about 14msec damping time
(3km double ring or increase damping wigglers)
Are assumptions really OK?
For example "BN window is OK for 100 bunches.,,, Lead move 33 mm
in 3.3 msec, then heat is removed. " <--- ??
Need the test of BN window and liquid lead target with KEKB beam.
Small hall is necessary.
Crystal + Amorphous
Hybrid Target
Option
channeling gamma generation
Crystal + Amorphous
Hybrid Target
Option
channeling gamma generation
Crystal + Amorphous
Hybrid Target
Option
Advanced Conventional Source
四角は大森
四角は大森
For CLIC --> OK (大森による追記)
四角は大森
For LIC --> Not OK (大森による追記)
"Crystal + Amorphous" Hybrid Target
driven by e- beam
Chehab さんの結論
(1) CLIC 用には OK
(2) ILC 用には Not OK
ILC 用には Not OK
ほんとうにそうか？
ILC 用には Not OK
ほんとうにそうか？
よく考えると結論は
ILC 用には ??? (結論ナシ)
3000 bunches at once には Not OK
Chehab さんの計算が正しいなら、
Hybrid (= Crystal + Amorphous) Target
は 100 bunches at once に耐える。
0.33 J/g/bunch x 100 bunches
= 33 J/g
< 35 J/bunch = limit
解 "100 bunches/pulse x 300 Hz" がある
Advanced Conventional e+ Source for ILC
Crystal/Amorphous Hybrid Target
Normal Conducting Drive and Booster Linacs in 300 Hz operation
e+ creation
go to main linac
100 bunches/train x 300 Hz
Tb_to_b = 6.15 n sec
3000 bunches/train x 5 Hz
Tb_to_b = 300 n sec
Drive Linac
5 -10 GeV
Booster Linac
5 GeV
NC
300 Hz
NC
300 Hz
DR
Tb_to_b = 6.15 n sec
Target
Crystal/Amorphous Hybrid
3000 bunches
We create 3000 bunches
in 100 m sec
Time remaining for damping = 100 m sec
Advanced Conventional e+ Source for ILC
Crystal/Amorphous Hybrid Target
Normal Conducting Drive and Booster Linacs in 300 Hz operation
e+ creation
go to main linac
100 bunches/train x 300 Hz
Tb_to_b = 6.15 n sec
3000 bunches/train x 5 Hz
Tb_to_b = 300 n sec
Drive Linac
5 -10 GeV
Booster Linac
5 GeV
NC
300 Hz
NC
300 Hz
DR
Tb_to_b = 6.15 n sec
Target
Crystal/Amorphous Hybrid
3000 bunches
We create 3000 bunches
in 100 m sec
Time remaining for damping = 100 m sec
Liquid Lead Target の時と同じ解！！！
Posipol 2008 の場において、300 Hz operation 解に
ついて Chehab さんに検討を依頼した。
乞うご期待！！！
Alternative (b)
Laser-Compton based
+
Polarized e Source
Why Laser-Compton ?
i) Positron Polarization.
ii) Independence
Undulator-base e+ : use e- main linac
Problem on design, construction,
commissioning, maintenance,
Laser-base e+
: independent
Easier construction, operation,
commissioning, maintenance
iii) Polarization flip @ 5Hz (for CLIC @ 50 Hz)
iv) High polarization
v) Low energy operation
Undulator-base e+ : need deceleration
Laser-base e+ : no problem
vi) Synergy in wide area of fields/applications
T. Omori Posipol 2008
Status of Compton Source
Proof-of-Principle demonstration was done.
ATF-Compton Collaboration
Polarized -ray generation: M. Fukuda et al., PRL 91(2003)164801
Polarized e+ generation: T. Omori et al., PRL 96 (2006) 114801
T. Omori Posipol 2008
Status of Compton Source
Proof-of-Principle demonstration was done.
ATF-Compton Collaboration
Polarized -ray generation: M. Fukuda et al., PRL 91(2003)164801
Polarized e+ generation: T. Omori et al., PRL 96 (2006) 114801
We still need many R/Ds and simulations.
Many Talks in this Workshop
T. Omori Posipol 2008
Status of Compton Source
Proof-of-Principle demonstration was done.
ATF-Compton Collaboration
Polarized -ray generation: M. Fukuda et al., PRL 91(2003)164801
Polarized e+ generation: T. Omori et al., PRL 96 (2006) 114801
We still need many R/Ds and simulations.
Many Talks in this Workshop
We have 3 schemes.
Choice 1 : How to provide e- beam
Storage Ring, ERL, Linac
Choice 2 : How to provide laser beam
Wave length (=1m or =10m )
staking cavity or non stacking cavity
Choice 3 : e+ stacking in DR or Not
T. Omori Posipol 2008
Laser Compton e+ Source for ILC/CLIC
We have 3 schemes.
1. Ring-Base Laser Compton
Storage Ring + Laser Stacking Cavity (=1m),
and e+ stacking in DR
S. Araki et al., physics/0509016
2. ERL-Base Laser Compton
ERL + Laser Stacking Cavity (=1m),
and e+ stacking in DR
3. Linac-Base Laser Compton
Linac + non-stacking Laser Cavity (=10m),
and No stacking in DR
Proposal V. Yakimenko and I. Pogorersky
T. Omori et al., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res., A500 (2003) pp 232-252
T. Omori Posipol 2008
Laser Compton e+ Source for ILC/CLIC
We have 3 schemes.
1. Ring-Base Laser Compton
Storage Ring + Laser Stacking Cavity (=1m),
and e+ stacking in DR
S. Araki et al., physics/0509016
2. ERL-Base Laser Compton
ERL + Laser Stacking Cavity (=1m),
and e+ stacking in DR
3. Linac-Base Laser Compton
Linac + non-stacking Laser Cavity (=10m),
and No stacking in DR
Proposal V. Yakimenko and I. Pogorersky
T. Omori et al., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res., A500 (2003) pp 232-252
Good! But we have to choose!
T. Omori Posipol 2008
Compton Ring Scheme for ILC
• Compton scattering of e- beam stored in storage
ring off laser stored in Optical Cavity.
• 5.3 nC 1.8 GeV electron bunches x 5 of 600mJ
stored laser -> 2.3E+10 γ rays -> 2.0E+8 e+.
• By stacking 100 bunches on a same bucket in DR,
2.0E+10 e+/bunch is obtained.
Electron Storage Ring 1.8 GeV
T. Omori Posipol 2008
1.8 GeV booster
Compton Ring Scheme for ILC
• Compton scattering of e- beam stored in storage
ring off laser stored in Optical Cavity.
• 5.3 nC 1.8 GeV electron bunches x 5 of 600mJ
stored laser -> 2.3E+10 γ rays -> 2.0E+8 e+.
• By stacking 100 bunches on a same bucket in DR,
2.0E+10 e+/bunch is obtained.
Electron Storage Ring 1.8 GeV
T. Omori Posipol 2008
1.8 GeV booster
ERL scheme for ILC
• High yield + high repetition in ERL solution.
– 0.48 nC 1.8 GeV bunches x 5 of 600 mJ laser,
repeated by 54 MHz -> 2.5E+9 γ-rays -> 2E+7 e+.
– Continuous stacking the e+ bunches on a same bucket
in DR during 100ms, the final intensity is 2E+10 e+.
1000 times of stacking in a same bunch
Photon
Capture
System
Laser Optical Cavities
RF Gun
Dump
SC Linac 1.8 GeV
T. Omori Posipol 2008
Conversion
Target
To Positron
Liniac
ERL scheme for ILC
• High yield + high repetition in ERL solution.
– 0.48 nC 1.8 GeV bunches x 5 of 600 mJ laser,
repeated by 54 MHz -> 2.5E+9 γ-rays -> 2E+7 e+.
– Continuous stacking the e+ bunches on a same bucket
in DR during 100ms, the final intensity is 2E+10 e+.
1000 times of stacking in a same bunch
Photon
Capture
System
Laser Optical Cavities
RF Gun
Dump
SC Linac 1.8 GeV
T. Omori Posipol 2008
Conversion
Target
To Positron
Liniac
Linac scheme for ILC
► Polarized γ-ray beam is generated in the Compton back
scattering inside optical cavity of CO2 laser beam and 4
GeV e-beam produced by linac.
– 4GeV 15nC e- beam with 12 ns spacing.
– 10 CPs, which stores 10 J CO2 laser pulse repeated by 83
Mhz cycle.
► 5E+11 γ-ray -> 2E+10 e+ (2% conversion)
► 1.2μs pulse, which contains 100 bunches, are repeated by 150
Hz to generated 3000 bunches within 200ms.
► No stacking in DR
4GeV 1A e- beam
30MeV
 beam
 to e+ conv. target
15MeV
e+ beam
~2 m
T. Omori e+ meeting at ANL (2007)
By V. Yakimenko and I. Pogorersky
Just Example
2-mirror cavity
Prototype Cavities
(Hiroshima / Weseda /
Kyoto / IHEP / KEK)
moderate enhancement
moderate spot size
simple control
T. Omori Posipol 2008
4-mirror cavity (LAL)
high enhancement
small spot size
complicated control
Just Example
2-mirror cavity
Prototype Cavities
(Hiroshima / Weseda /
Kyoto / IHEP / KEK)
moderate enhancement
moderate spot size
simple control
ATF にてガンマ線生成の実験中
T. Omori Posipol 2008
4-mirror cavity (LAL)
high enhancement
small spot size
complicated control
四角は大森
JU/NW/EE e+ EOM (2007)
various scenarios
Compton sources
 Compton ring – CR (“pulsed”), or
 Compton ERL – CERL (“continuous”)
accumulation rings
 ILC damping ring
 CLIC pre-damping ring
F. Zimmermann Posipol 2008
(1) ILC-CR
F. Zimmermann Posipol 2008
simulation for ILC-CR
cycle 1, after 1st injection
cycle 1, after 5th injection
cycle 1, after 30th injection
cycle 2, before 1st injection
cycle 2, after 1st injection
cycle 2, after 30th injection
cycle 3, before 1st injection
cycle 2, after 5th injection
F. Zimmermann Posipol 2008
cycle 1, after 10th injection
cycle 10, after 30th injection
10 ms after cycle 10
110 ms after cycle 10
~ 10.6% of injected e+ are lost!
similar loss fraction for single cycle
→ stacking efficiency ~90%
for ILC DR Compton version
F. Zimmermann Posipol 2008
(2) ILC-CERL
F. Zimmermann Posipol 2008
simulation for ILC-CERL
10 turns, 3 bunches
1000 turns, 200 bunches
20 turns, 5 bunches
5000 turns, 1000 bunches
100 turns, 20 bunches
100 ms after last injection
→ stacking efficiency ~91%
for ILC DR Compton version
F. Zimmermann Posipol 2008
まとめ
（というより大森の意見）
TD phase 1 の間に虚心坦懐に見直すべき
アンジュレーター
一番もっともらしい(ready-to-construct に近い)
パラーメーターセットを作る。
Low K アンジュレーターも含めて検討するべきか？
全体
コンベンショナルも含めて、一番 ready-to-construct
に近い e+ ソースを考える。
アンジュレーター以外の場合は、1 m sec の間に
3000 bunches を作る必要は無い。
DR も含めて最適解を探るべき。
ILC Research and Development Plan
for the Technical Design Phase
Release 2 June 2008 より抜粋
赤線は大森