[論文レビュー] CLIC, a Two-Beam Multi-TeV e+e- Linear Collider

Jean‐Pierre Delahaye, Ian Wilson|ArXiv.org|Aug 15, 2000

Particle Detector Development and Performance被引用数 6

ひとこと要約

CLICは、30 GHzの常温導体加速構造を用い、150 MV/mの勾配を持つことで、長さとコストを最小限に抑えた27.5 km、3 TeVのe+e−線形衝突機を提案する。2ビームRF電力方式を採用し、低周波（937 MHz）のドライブビームがコンプレッサー環での周波数倍増により高電力RFを生成することで、高い効率の電力伝送と、強いウェークフィールドにもかかわらずビームの発散量の維持を実証する。

ABSTRACT

The CLIC study of a high-energy (0.5 - 5 TeV), high-luminosity (1034 - 1035 cm-2 sec-1) e+e- linear collider is presented. Beam acceleration using high frequency (30 GHz) normal-conducting structures operating at high accelerating fields (150 MV/m) significantly reduces the length and, in consequence, the cost of the linac. Using parameters derived from general scaling laws for linear colliders, the beam stability is shown to be similar to lower frequency designs in spite of the strong wake-field dependency on frequency. A new cost-effective and efficient drive beam generation scheme for RF power production by the so-called "Two-Beam Acceleration" method is described. It uses a thermionic gun and a fully-loaded normal-conducting linac operating at low frequency (937 MHz) to generate and accelerate the drive beam bunches, and RF multiplication by funnelling in compressor rings to produce the desired bunch structure. Recent 30 GHz hardware developments and CLIC Test Facility (CTF) results are described.

研究の動機と目的

• 5 TeVの中心系エネルギーに達する高エネルギー・高発光度e+e−線形衝突機の設計を目的とする。
• 高周波（30 GHz）加速構造と高い加速勾配（150 MV/m）を用いることで、リニアックの長さとコストを削減することを目的とする。
• 高周波における強いウェークフィールドの課題を、ビーム電荷、長さ、焦点化の最適化により、ビーム発散量の維持に寄与することを目的とする。
• 低周波ドライブビームと周波数倍増を用いた2ビーム方式により、コスト効率的で効率的なRF電源を実証することを目的とする。
• 将来の衝突機の実現可能性を検証するため、試験施設（CTF1、CTF2、CTF3）とスケーリング則を用いること。

提案手法

• 150 MV/mの勾配を持つ30 GHzの常温導体加速構造を用い、短い距離で高いエネルギー増幅を実現する。
• 2ビームRF電力方式を採用：低エネルギーで高電流のドライブビーム（937 MHz）を常温導体リニアックで加速し、電力抽出構造を用いてRF電力を生成する。
• コンプレッサー環での周波数倍増により、ドライブビームを短いトレインに圧縮し、高いピーク電流を実現することで、30 GHzでの効率的なRF電力生成を可能にする。
• アクティブアライメントシステムと局所的なビーム軌道バンプを適用し、ウェークフィールドによる発散量の増大を最小限に抑える。
• スケーリング則を適用し、同等の補正技術が用いられる場合、ビーム発散量の増大が周波数に依存しないことを示す。
• ビームローディング補償とRF電力測定を含む、CLIC試験施設（CTF1およびCTF2）を通じて設計の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 30 GHzの加速構造がブレークダウンを伴わずに150 MV/mの勾配を維持できるか。これにより、コンパクトなリニアック設計が可能になるか。
• RQ2 30 GHzの高周波において強いウェークフィールドをどのように緩和し、高周波にもかかわらずビーム発散量を維持できるか。
• RQ3 低周波ドライブビームと周波数倍増を用いた2ビームRF電源方式が、高電力レベルでも実現可能で効率的であるか。
• RQ4 この方式により、必要なRF電力（1セクションあたり229 MW）を高効率で生成・伝送できるか。
• RQ5 現実的な真空およびビーム条件下で、30 GHz構造における到達可能な最大加速勾配と出力電力は何か。

主な発見

• CLIC設計は、27.5 kmのリニアック長さで3 TeVの中心系エネルギーを達成し、30 GHzで150 MV/mの勾配を実現する。
• RFからビームへの効率は24.4%に達し、ACからビームへの効率は9.8%に達し、高周波にもかかわらず高い電力伝送効率を示す。
• 30 GHzのシングルセルキャビティは、ブレークダウンなしでピーク加速勾配290 MV/mを達成し、表面電場で750 MV/mまで連続ブレークダウンを経験せずに達成可能である。
• CTF2では、0.5 mの30 GHz構造が27 MWのRF電力を生成し、最大加速勾配は59 MV/m、0.7 nCのプローブビームで55 MeVのエネルギー増幅を達成した。
• ドライブビームは48束で755 nCを生成し、ドライブビーム電荷、RF電力、メインビームエネルギー増幅の間で良好な一致が確認された。
• 予期しない表面損傷が300 MV/m未満の電場レベルで観測されたため、真空状態や表面状態が主な懸念事項である可能性が示唆された。