13 octobre 2004O. Napoly, La Colle sur Loup1 Accélérateurs et R&D pour les Collisionneurs...

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 !!

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

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

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

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)

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

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)

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

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

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

Klystrons :10 MW × 1.3 ms multi-faisceaux

THALES CPI TOSHIBA

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

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

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

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)

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

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

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

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

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

Structures accélératrices ‘chaudes’ à haute fréquence 30 GHz

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

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

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

loi de Kilpatrick Es fRF1/2

Champ de surface Es ≈ 2 Eacc

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

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

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

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

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

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

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

R&D CLIC : Génération de puissance RF

150 A

39 m

78 m

312 m

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

R&D CLIC : CTF3

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.)

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

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.