Transcript Main Linac

ILC加速器概要
（Main Linac および 土木以外）
K. Yokoya
2014.1.26 TDR検証部会
2015/1/26 TDRWG Yokoya
1
ILC Accelerator Overview
ILC Accelerator
2015/1/26 TDRWG Yokoya
2
設計方針 Design Principle
• Parameter Committeeの要請（2006）
重心系エネルギー 200-500GeV
 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
3
TDRに要求された主な技術的課題(1)
• 電子源
• Polarized (>80%) beam
• ~90%も可能
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
• 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
2015/1/26 TDRWG Yokoya
5
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
6
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
2015/1/26 TDRWG Yokoya
7
基本的ビームパラメータ
Basic Beam Parameters（baseline, 5Hz）
• 繰り返周波数
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
2015/1/26 TDRWG Yokoya
•
•
•
•
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
10
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。（すぐ下流に加速
空洞がある）
2015/1/26 TDRWG Yokoya
20
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
21
LLNLでの試験の一例
2015/1/26 TDRWG Yokoya
J. Gronberg, ECFA13
22
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
28
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
2015/1/26 TDRWG Yokoya
T.Omori
29
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
30
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発生する
• 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
39
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
40
電子雲対策
SuperKEKB Dipole Chamber Extrusion
Y. Suetsugu
2015/1/26 TDRWG Yokoya
Tubular Heater
Water Cooled Conductor
• Ante-chamber（側室）
• TiN coating
• Solenoid windings
• Clearing electrode
• Triangular grooves
W ater c ooling tube bonded w ith high temp. epox y
Tubular Heater
N EG
N EG
perforated
metal
N EG
C lear ing
Elec tr odes
N EG
C oating
Tubular Heater
N EG
Tubular Heater
DR Wiggler chamber concept
with thermal spray clearing
electrode – 1 VC for each
wiggler pair.
Conway/Li
41
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とおなじではない（Beam
parameters are not identical to ILC）
• Extrapolation with computer simulation is needed
2015/1/26 TDRWG Yokoya
42
ILCでの電子雲対策
• Final report of CESR-TA published in Jan. 2013
• https://wiki.lepp.cornell.edu/ilc/bin/view/Public/CesrTA/CesrTAPhaseIReport
• 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
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)
2015/1/26 TDRWG Yokoya
44
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
antechamber
• Comparison between
6.4km ring with 2600
bunches and 3.2km
ring with 1300
bunches (both are
safe)
2015/1/26 TDRWG Yokoya
45
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
46
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
59
FF Optics
Single IR BDS optics (2006e)
2015/1/26 TDRWG Yokoya
60
2015/1/26 TDRWG Yokoya
T.Tauchi, ILC camp 2013
61
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
62
Comparison of ILC-FF and ATF2
ILCと同じ光学系。同じ磁石数。
2015/1/26 TDRWG Yokoya
T.Tauchi, ILC camp 2013
63
Comparison of Tolerances
ATF2で要求
される許容
誤差はILCと
comparable
2015/1/26 TDRWG Yokoya
T.Tauchi, ILC camp 2013
64
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
Progress in measured beam size at ATF2
IPAC2014, K. Kubo + ICHEP S.Kuroda
400
250
200
150
100
50
Mar 2013
Dec 2012
1000
Apr 2014
May 2014
Jun 2014
Week from April 14, 2014
2-8 deg. mode
30 deg. mode
174 deg. mode
800
600
y
0
Feb-Jun 2012
 (nm)
300
Dec 2010
Earthquake (Mar 2011)
Measured Minimum
Beam Size (nm)
350
Beam Size 44 nm observed,
(Goal : 37 nm)
2015/1/26 TDRWG Yokoya
400
200
0
10
20
30
40
50
60
70
Time (hours) from Operation Start after 3 days shutdown
67
チューニングの速さ
By April 2014
Interruption
by BPM study
including
waist shift
2015/1/26 TDRWG Yokoya
68
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
2015/1/26 TDRWG Yokoya
69
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 intemsity）
• 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 10-20 times higher than at ATF2 and the bunch length is much
shorter）
2015/1/26 TDRWG Yokoya
70
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
72
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（edriven 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
88