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
13 octobre 2004 O. Napoly, La Colle sur Loup 1
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 !!
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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
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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)
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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)
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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
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Klystrons :10 MW × 1.3 ms multi-faisceaux
THALES CPI TOSHIBA
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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
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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)
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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
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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
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Structures accélératrices ‘chaudes’ à haute fréquence 30 GHz
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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
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loi de Kilpatrick Es fRF1/2
Champ de surface Es ≈ 2 Eacc
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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
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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
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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
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R&D CLIC : Génération de puissance RF
150 A
39 m
78 m
312 m
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R&D CLIC : CTF3
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.)
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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.