13 octobre 2004O. Napoly, La Colle sur Loup1 Accélérateurs et R&D pour les Collisionneurs (Linéaires) e+e- 1.Collisionneur Linéaire International ILC 1.Collisionneur

13 octobre 2004 O. Napoly, La Colle sur Loup 1

Accélérateurs et R&D pour les Collisionneurs (Linéaires) e+e-

1. Collisionneur Linéaire International ILC

1. Collisionneur LInéaire Compact CLIC

1. R&D : Contrats Européens CARE et EUROTeV et la position des laboratoires français


ILC : projet de collisionneur supraconducteur

• Après la recommandation de l’ITRP, acceptée par l’ICFA, le prochain collisionneur linéaire e+e- sera supraconducteur (fRF basse, longue impulsion, rendement élect.)

• Les projets TESLA, NLC et JLC s’intègrent dans le projet mondial ILC avec le calendrier présumé:– Mi 2006 : Conceptual Design Report (APS)– Fin 2007 : Technical Design Report (APD)– 2008 : Décision internationale et choix du site– 2009 : Démarrage de la construction– 2015 : Fin de la construction,– 2016 : Premières collisions !!


ILC : cahier des charges

La conception du collisionneur e+e- doit être revue (la recommandation de l’ITRP porte sur la technologie et NON sur la conception du projet TESLA)

pour les paramètres principaux:• Energie : Ecm = 500 GeV avec une montée prévue à 1 TeV• Luminosité : ∫Ldt = 500 fb-1 sur 4 ans, soit L ≈ 2 1034 cm-2s-1

• Polarisation : P électrons = 80%, au démarrage

P positrons ~ 50%, dans une étape ultérieure• Précision : meilleure que 10-3 en énergie

• Région d’interaction : 1 + 1 compatible avec des collisions


R&D ILC : Conception générale

• Ecm = 500 GeV pour Eacc = 28 MV/m

• Ecm = 1 TeV pour Eacc = 35 MV/m

• Tunnels + 1 Région d’interaction sans aimant de courbure : compatible avec un collisionneur multi-TeV (grossissement d’émittance E6/)

Exemple du dessin US (G. Dugan, et al)


1,131

587 546

336 215

124 101 97

Main LINACModules

Main LINAC RFSystem

Tunnel & Buildings MachineInfrastructure

Damping Rings Machine Auxiliary HEP Beam Delivery Injection System

e- Damping Ring

e+ Main LINAC

Electron sources e+ Source

Beam dumps

DESY site Westerhorn

Auxiliary halls

~ 33 km

e+ Damping Ring

e+ Deliverye- Main LINAC I PDelivery e-

e+ Beam linePreLinac

Total for Baseline: 3.14 B€ + 7000 py

1 IR, 500 GeV cm

TESLA Cost Distr. (M€)

R&D ILC : Baisser les Coûts

(référence 2001)


R&D ILC : Baisser les Coûts

• Simplification– L’électrochimie des cavités évite le recuit par

passage au four 1400°C– Superstructures : 1 coupleur pour 2 cavités

• Industrialisation– Klystrons : concurrence industrielle– Coupleurs de puissance


Klystrons :10 MW × 1.3 ms multi-faisceaux

THALES CPI TOSHIBA


R&D ILC : Cavités Hauts Gradients

Cavités TESLA électro-polies :

atteignent Eacc > 35 MV/m ,

Q0 = 5e9 2 W/m à 2K

35 MV/m dans le linac TTF

Cryomodule complet (8 cavités) attendu dans TTF2 en 2006


R&D ILC : Cavités Très Hauts GradientsSupra-conducteurs Hauts Tc et Hauts Hc :

Nb3Sn ou MgB2Matériau Tc [K] T [K] Hsh(T) [Oe] Eacc [MV/m]

Nb 9,2 4,2 2400 47

Nb3Sn 18,2 4,2 4013 95

MgB2 39 4,2 3218 80

MgB2 39 20 2085 52

en supposantHsh / Eacc= 40 Oe/(MV/m)à l’équateur

Nb3Sn permettrait une montée en énergie s 1→1.7 TeV à 2 K

MgB2 permettrait une montée en énergie s 1→1.4 TeV à 4,2 K et une montée en luminosité (plus grand cycle utile) à 20 K

Défis principaux: • procédés de fabrication (dépôts, MgB2 solide ou composite)• dissipation due à la résistance résiduelle Rres (cf.cavités Nb/Cu)

• champ Epic sur les iris

5622

2 81

99

(Tajima, LANL)


R&D ILC : Source de Positrons Polarisés

Collaboration E166 :SLAC, DESY, Cornell, Princeton, U. Tennessee

Démarrage : Oct.2004 !

0.171Strength K

2.4 mm140 mmPeriod

2 x 1073 x 1010Positrons

9.6 MeV~10 MeVCutoff

50 GeV~200 GeVBeam

1 m200 mLength

E166TESLAParameter

Onduleur hélicoïdal(Cornell)

Ti 0.5 X0

53% polarisation


R&D ILC : Anneaux d’amortissement

Les anneaux d’amortissement sont des ‘mille-feuilles’ qui replient n-fois le train de paquets de 300 km (1 ms) de long pour le stocker dans la circonférence C = 300 km / n

Défi Pincipal : les ‘kickers’ d’injection et d’extraction doivent agir sur 1 paquet sur n temps de montée et descente < 337 ns ÷ n ( 20ns)

• Aimants pulsés rapides : DESY• Déflecteurs RF : INFN• Aimants : Cornell

‘Dog-bone’ : n = 17


Structures accélératrices ‘chaudes’ à haute fréquence 30 GHz


CLIC : accélération à 30 GHzAvantages attendus des grandes fréquences RF (1987):

• Puissance moyenne dissipée 1/fRF3/2

• Champ électrique de claquage fRF1/2, loi de Kilpatrick

(‘total voltage effect’ ??)

• Champ de capture de courant de paroi fRF

Meilleur résultat à ce jour en terme de faisceau accéléré 30 GHz:• E = 60 MV en moyenne sur 1.4 m (5 structures de 28cm)• Eacc= 59 MV/m dans la meilleure structureobtenu sur CTF2 en 2000


loi de Kilpatrick Es fRF1/2

Champ de surface Es ≈ 2 Eacc


R&D CLIC : Structures hauts gradients

Facteur limitant : claquage RF qui engendre la fusion et l’érosiondes surfaces RF, et la dégradationdéfinitive des structures RF

Question : comment empêcher l’énergie RF de se propager dans la structure ?Réponse du SLAC : structures à onde stationnaires (vg=0) structures courtes @ 120 MV/m


Cu W Mo

L=10 cm

R&D CLIC : Structures hauts gradientsRéponse du CLIC : utilisation de métaux réfractaires W (3400°) et Mo (2600°)à la place du Cu (1800°) sur les iris

Test 30 GHz / CTF2: Eacc=193 MV/m, 30ns, Mo

Second Test 11.4 GHz / NLCTA (SLAC) :Eacc= 65 MV/m,100 ns , Mo


R&D CLIC : Structures hauts gradientsNouveau dessin de Structure RF : • en 4 blocs• Esurf

max < 380 MV/m → iris Mo

• Tmax < 56 K (Hsurfmax) → corps CuZr

• Impulsion RF 60 ns (au lieu de 130 ns)

Défi majeur : le mode de fabrication : Mise en oeuvre du Mo : fritté, forgé, coulé, quelle pureté ? Mode d’assemblage Mo / CuZr Traitement thermique Usinage 3D µm: tour,électroérosion Traitement de surface

Cu CuZr


R&D CLIC : Génération de puissance RF

150 A

39 m

78 m

312 m


R&D CLIC : CTF3


CTF3/WP4: faisceau diagnostic 200 MeV

Injector LIL structure

pulsecompression

RF gun orthermionic gunwith buncher

190 MeVQB=0.6 nC t 0.75psNB 32 t=666 ps T/T 4%

LIL structure

bunchcompressor

3 GHz45 MWklystron

20m

Instrumentationsection

+ instrumentation: position, intensité, énergie, émittance, z

D’après le DAPNIA : WP4 nécessite 40 ha et 2 MCHF

Mise en route 2008, 1éres expériences d’accélération en 2009


Programme du 6ème PCRD 2004 - 2008

Approuvé : 15 M€ subvention EU

Coordination : Roy Aleksan

R&D Collisionneurs : SRF : technologie linac supra PHIN : photo-injecteurs ELAN : activité de réseau


EUROTeV : R&D hors Techno. Linac

Programme du 6ème PCRD

Approuvé : 9 M€ subvention EU

Coordination : DESY + CERN

Durée : 2005 - 2007

INFN

CCLRC

IN2P3-LAPP

CERN

DESY

RHUL

CCLRC


Programmes Européens du 6ème PCRDCARE et EUROTeV

CARE/PHIN 2004-2007CARE/SRF 2004-2007

TESLA Test Facility CLIC Test FacilityFrance : 56 ha3,5 M€ (EU: 1,4 M€)*

Europe: 327 ha (39%UK)

29 M€ (EU: 11,2 M€)*

France : 3 ha /an30 k€ / an

France : 16 ↑ 40 ha

CARE/ELAN 2005-2008

France : 70 pers.Europe : 382 pers. 0,7 M€ (EU + CH)

EuroTeV 2005-2007

France : 46 ha 5 M€ (EU:1.3 M€)

Europe : 217 ha 9 M€ (EU : 5 M€)

France : 36 ha 3,1 M€ (EU:1,2 M€)Europe : 88,5 ha6 M€ (EU: 3,5 M€)

* Données financières à la soumission


Effort français sur CARE/SRF WP1 Coordination : LAL (8 hm)WP5 Electropolissage : DAPNIA (85 hm)WP7 Coupleurs : LAL (258 hm)WP8 Systèmes d’accord : DAPNIA (16 hm), INPO (24 hm)WP10 Tests CRYHOLAB : DAPNIA (66 hm), IPNO+LAL (36 hm)WP11 Moniteur de position : DAPNIA(58 hm)

5

7

8 11

10


Effort français sur CARE/PHIN

WP1 Coordination : LAL (3 hm)WP2 Photo cathode : LAL (32 hm), LOA (60 hm)WP3 LASER : LAL (51 hm)WP4 Canon : LAL (207 hm), LOA (78 hm)

Photo-production d’électronspar interaction LASER-Plasma

LOA


Effort français sur EUROTeV (2005-2007)WP1 Coordination : LAPP (6 hm)WP2 Optique BDS + Quadripôle Nb3Sn : DAPNIA (69 hm)WP5 Polarimétrie : LAL (336 hm)WP6 Interface détecteur-machine : LAL (96 hm)WP7 Alignement et stabilisation : LAPP (169 hm)

1

5

6

7


Effort français sur TTF2• Electronique pour Sécurité différentielle : 1 ing.+ 1 techn. (DAPNIA)

• Etudes des modes supérieurs dipolaires HOM : 1 ing.+ 1 thésard (DAPNIA)

modules ADC d’acquisition module FPGA de comparaison

Vertical scan 1872.897 MHz

-65

-60

-55

-50

-45-40

-35

-30

-25

-20

-1,2 -0,7 -0,2 0,3 0,8 1,3

[A]

[dB

m]

V2scan1 (H1=0A)

V2scan2 (H1=-2.22A)

V2scan3 (H1=-2.25)

Les modes dipolaires permettent de centrer le faisceau à 50 µm près dans les cavités


Conclusions du Groupe de Travail « Collisionneurs e+e- »

• S’insérer dans le concert européen (EU, ELCSG, ECFA) et international.

• Impliquer les labos français dans l’aventure scientifique du projet ILC

• Soutenir la R&D pour un collisionneur multi-TeV

(P. Bambade, G. Wormser, Y. Karyotakis, T. Garvey, W. Kozanecki, P. Lutz, O.N.)


Conclusions personnellesLes deux voies de recherche pour des collisionneurs

multi-TeV, basées sur de nouveaux matériaux: ILC : Supra hauts Tc et hauts Hc (Nb3Sn, MgB2) CLIC : Structures 30 GHz (Mo+CuZr)

1) sont spéculatives et peuvent déboucher sur une impasse,

2) demanderont des études sur une dizaine d’années

Elles méritent d’être étudiées en parallèle.

Elles sont dans la compétence des labos français.

Documents

13 octobre 2004O. Napoly, La Colle sur Loup1 Accélérateurs et R&D pour les Collisionneurs (Linéaires) e+e- 1.Collisionneur Linéaire International ILC 1.Collisionneur