[论文解读] Impact of high Q on ILC250 upgrade for record luminosities and path toward ILC380

H. Padamsee, Anna Grassellino+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2019

Electrostatic Discharge in Electronics参考文献 12被引用 5

一句话总结

本文提出通过采用高品质因数（Q）超导射频（SRF）腔体，将ILC250升级以实现8.1×10³⁴ cm⁻²s⁻¹的亮度——在具有极化的情况下，有效亮度可达2.0×10³⁵ cm⁻²s⁻¹——从而实现更高亮度。该升级预计耗资约22亿ILCU，使ILC高亮度总成本达到77亿ILCU，仅需267兆瓦交流电功率，相比FCC-ee更具成本和能效优势。

ABSTRACT

In this paper, we address the possibility of upgrading the ILC250 luminosity to $8.1 imes 10^{34}$, so that with the polarization feature, the effective luminosity will be $2.0 imes 10^{35}$ to compete with the FCC-ee luminosity and two detectors. The additional cost of the higher luminosity option will be about 2.2 B ILCU. The total cost for the ILC high luminosity machine will therefore be about 7.7 B versus FCC-ee 10.5 B. The AC power (267 MW) to operate the ILC luminosity upgrade will also be less than the AC power for FCC-ee (300 MW). Even with a modest quality factor Q of $1 imes 10^{10}$ for SRF cavities, the total cost of the upgrade will be 2.5 B ILCU additional over ILC250 baseline. We expect that, if approved, ILC250 will first be built at the baseline luminosity, operated for many years at this luminosity, and later upgraded to the high luminosity option. A significant part (RF power and cryo-power) of the additional cost for the luminosity upgrade overlaps with the expected additional costs for anticipated energy upgrade paths. A second ILC upgrade discussed in this paper will be to the higher energy Top Factory at 380 GeV. We also estimate the additional cost of this upgrade (1.5 B ILCU).

研究动机与目标

• 评估将ILC250升级以实现8.1×10³⁴ cm⁻²s⁻¹亮度的可行性与成本，以拓展物理研究能力。
• 评估高Q因子超导射频腔体对降低ILC250亮度升级成本与功耗的影响。
• 比较升级后ILC250与FCC-ee对撞机的总成本与交流电功率需求。
• 估算将ILC从250 GeV中心系能量升级至380 GeV（Top Factory）的成本与技术路径。

提出的方法

• 基于高Q因子SRF腔体，对ILC250在8.1×10³⁴ cm⁻²s⁻¹亮度下的射频与低温功率需求进行建模。
• 根据射频与低温功率需求的增加，估算亮度升级的附加成本。
• 将升级后ILC（267兆瓦）的交流电功耗与FCC-ee（300兆瓦）进行比较。
• 评估亮度升级与未来能量升级路径至ILC380之间的成本重叠。
• 以SRF腔体的基准Q因子1×10¹⁰为基础，计算成本与性能之间的权衡。
• 预测从ILC250升级至ILC380的后续成本，估算为15亿ILCU。

实验结果

研究问题

• RQ1 为在ILC250中实现8.1×10³⁴ cm⁻²s⁻¹的亮度，射频与低温功率需增加多少？
• RQ2 采用高Q因子SRF腔体（Q = 1×10¹⁰）如何影响ILC250亮度升级的成本与功耗效率？
• RQ3 ILC250高亮度升级的总成本是多少？与FCC-ee项目成本相比如何？
• RQ4 将ILC从250 GeV升级至380 GeV中心系能量的附加成本与技术路径是什么？
• RQ5 亮度升级的成本与功耗需求在多大程度上与未来能量升级的需求重叠？

主要发现

• ILC250亮度升级至8.1×10³⁴ cm⁻²s⁻¹将额外增加22亿ILCU成本，使ILC高亮度总成本达到77亿ILCU。
• 在Q因子仅为1×10¹⁰的适度水平下，亮度升级的总成本估算为25亿ILCU，表明其对腔体性能高度敏感。
• 升级后ILC250的交流电功耗为267兆瓦，低于FCC-ee所需的300兆瓦，表明能效更高。
• 在具有极化的情况下，有效亮度达2.0×10³⁵ cm⁻²s⁻¹，使ILC在物理研究能力上可与FCC-ee比肩。
• 将ILC从250 GeV升级至380 GeV（Top Factory）的成本估算为15亿ILCU。
• 亮度升级的大部分成本与未来能量升级的预期成本重叠，从而降低了增量投资。