Accelerators today and tomorrow: new challenges Ерохин Александр ЦЕРН, ИЯФ СО РАН 2015 г.
(слайдов: 22) 2 Часть III Ожидаемые новые установки (направления) Synchrotron light sources (photon science) Heavy ions and neutrons Lepton and hadron colliders New challenges
(слайдов: 22) 3 Synchrotron light sources (photon science): NSLSII – первый пучок (~25 мА) получен весной 2014, идет commissioning (ИЯФ СО РАН поставил Бустер «под ключ») XFEL – запуск в ~2017 (Россия является участником проекта) MAX-IV – запуск в ~2016 (Россия является участником проекта) Heavy ions and neutrons: FAIR (Россия является участником проекта) – первые сверхпроводящие магниты в 2016 г., запуск ~ 2018 г? ESS – запуск в ~ 2025 г. NICA – Дубна, mega-science project, проект есть, начато финансирование, запуск..? Lepton and hadron colliders: HL LHC – long shutdown II, через 3-4 года работы на «проектных» параметрах FCC – прозрачных сроков нет, стадия проработки концепции c-tau - ИЯФ СО РАН, mega-science project, проект есть, финансирования нет! CLIC – есть дизайн-проект, определена коллаборация, есть сроки New challenges
Цель – обеспечить ультра-яркое излучение в рентгеновском диапазоне для фундаментальных и прикладных исследований в биологии и медицине, химии, материаловедение, геологии, нанотехнологиях. Инвестор - U.S. Department of Energy (DOE), стоимость ~ $1 миллиард Пользователи - исследователи со всего мира NSLSII На предыдущем проекте NSLS каждый год работали около 2200 исследователи из 400 университетов, правительственных лабораторий и компаний над исследованиями в таких областях, как биология, медицина, химия, науки об окружающей среде, физики и материаловедения. Более чем 900 публикаций в год. NSLS-II с энергией электронов 3ГэВ, рентгеновские лучи более, чем в раз ярче по сравнению с NSLS. (слайдов: 22)
NSLSII Энергия электронов ГэВ Ток пучка – 500 мА Горизонтальный размер пучка 38 мкм Вертикальный размер пучка 3 мкм (слайдов: 22)
NSLSII (слайдов: 22)
(слайдов: 22)
Международный ускорительный комплекс FAIR сегодня в стадии строительства – продолжение существующих установок в GSI (Дармштадт, Германия)FAIR Тематика проекта – работа с пучками тяжелых ионов и изотопами (слайдов: 22)
FAIR синхротрон SIS100 – периметр 1100 метров 500 миллиардов ионов урана при энергии 1 ГэВ на нуклон (уран содержит 238 нуклон..) и 40 триллионов протонов при энергии 29 ГэВ короткими сгустками длиной ~10 нс Пучок антипротонов при энергиях от 1 ГэВ до 15 ГэВ (слайдов: 22)
Будущее LHC Следующим шагом для Большого адронного коллайдера - модернизация к 2020 году - увеличение светимости в 10 раз к проектному значению. Проект, БАК с высокой светимостью (HL-LHC), будет опираться на ряд ключевых инновационных технологий: сверхпроводящие магниты (inner triplets) с полем до 13 тесла, позволяющие существенно ограничить β функцию пучка в точке столкновения сверхпроводящие токопроводы от источников питания к магнитам, что позволит избежать радиационного повреждения электроники источников тока и облегчит установку и в без того переполненный тоннель. новые коллиматоры, необходимые для защиты магнитов от рассеянной энергии пучка. новый линак (Linac 4). Список участников HiLumi LHC также включает институты вне стран членов ЦЕРН, такие как Россия, Япония и США. Статус – проект принят, сроки до 2020 г., работы идут полным ходом! Future of LHC (слайдов: 22)
Future of LHC (слайдов: 22)
Main parametersLHCHL-LHCHE-LHCFCC Energy [TeV] Circumference [km] Dipole field Injection energy [TeV]0.45 >13.3 peak luminosity [10^34cm-2s-1]1555 Number of bunches n at - 25 ns ns Bunch population N[10^11], with - 25 ns ns 0.2 Nominal transverse normalized emittance [μm], with - 25 ns ns 0.44 Future of LHC (слайдов: 22)
FCC Главный интерес у ЦЕРН вызывает сейчас FCC. На территории Франции и Швейцарии планируется прокопать новый кольцевой туннель длиной 80–100 км, в котором будет размещен новый протонный коллайдер с энергией 100 ТэВ. Ожидается, что технологии создания магнитов позволят повысить магнитное поле ~ в 2 раза, что даст возможность удерживать на орбите протоны таких энергий. Реализация такой установки займет порядка 20 лет. Поэтому если этот коллайдер планируется запускать после LHC (то есть в районе 2035–2040 года), работать над ним надо уже сейчас. Изучается также вариант, при котором вначале в этом туннеле будет установлен электрон-позитронный ускоритель на небольшую энергию, который технически изготовить будет проще, а затем ему на смену придет 100-тэвный протонный. (слайдов: 22)
Что хотят физики от FCC Даже если никаких новых частиц не будет открыто, то есть еще плохо изученный хиггсовский бозон. Если ориентироваться на протонный коллайдер с энергией 100 ТэВ, то хиггсовские бозоны там будут рождаться тысячами в день, а значит, появляется возможность изучить его во всех подробностях. Поскольку хиггсовский бозон станет рядовой частицей, цель будет состоять не в том, чтобы просто увидеть его в данных, а в обнаружении какого-то необычного процесса с его участием. Это могут быть экзотические распады, рождение нескольких бозонов Хиггса, невидимые распады бозона Хиггса, которые будут намекать на его связь с частицами темной материи, и т. п., таким образом, хиггсовский бозон превратится из самоцели в инструмент для изучения физики. ((с) elementy.ru) FCC Возможные топологии коллайдера: 1. Похожая на LHC - арки равной длины, разделенные прямолинейными промежутками. 2. Racetrack топология, где есть две арки почти по 180 градусов каждая и два прямолинейных промежутка (подобная топология была принята когда-то в недостроенном проекте SSC - Superconducting Super Collider, 87 км периметр, 20ТэВ энергия). Суммарная длина арок составит 82.9 км для варианта с 16 Тл и 66.3 км для варианта с 20 Тл. Прямые промежутки должны включать: два основных эксперимента, два вспомогательных, инжекцию и экстракцию, ВЧ промежуток и коллиматорные вставки. (слайдов: 22)
FCC Сверхпроводящие магниты с полем до 16Тл являются ключевой технологией для коллайдера FCC при периметре в 100 км., сокращение же периода до 80 км. потребует поля в 20Тл! Разрабатываемые технологии: Расширение возможностей для низкотемпературных сверхпроводников (LTS) до 16Tл на основе Niobium-Tin (Nb 3 Sn) Поиск возможностей использования высокотемпературных сверхпроводников (HTS) c полем до 20Тл. Речь идет о материалах из редких элементов, как YBCO-123, и висмут-содержащих BSCCO-2212 И первое и второе требуют существенного улучшения материала, существенного улучшения механического дизайна, электроизоляции и защиты магнитов при срыве сверхпроводимости (быстрое детектирование срыва сверхпроводимости и сверхбыстрый вывод энергии!) (слайдов: 22)
Акроним CLIC (Компактный линейный коллайдер) указывает на ключевой аспект проекта: компактность, т.е. малые апертуры магнитов и ограниченное пространство для магнитных систем в целом. CLIC R&D на сегодняшний день направлены на демонстрацию технологий, необходимых для строительства 3ТэВ линейного коллайдера. CLIC (слайдов: 22)
Основные трудности: -Достижение градиента при ускорении вплоть до 100МВ/м. -Генерация «ведущего» пучка, получение ВЧ мощности с высоким КПД при замедлении пучка. -Получение ультра-низкого иммитанса основного пучка, что требует, в том числе, и очень точной выставки магнитов с последующим активным подавлением вибраций. -Системы защиты. Принцип работы: Два основных линейных ускорителя комплекса ускоряют электроны и позитроны с 9ГэВ до 1.5ТэВ за один проход. Ускоряющая структура выбрана обычная, не сверхпроводящая, ибо последняя сильно ограничена полями. Детальная оптимизация, принимающая во внимание максимум светимости, стоимость установки (длина туннеля), стабильность пучка, а также КПД всей установки привела к требованиям на градиент ускоряющей структуры в 100МВ/м и рабочую частоту ВЧ в 12ГГц! Все это приводит к ~ 9.2ТВт импульсной мощности на оба линейка, что не может быть достижимо в непрерывном режиме. Достижимо – каждый ускоряемый «bunch train» может иметь длину не более 156 нс с периодичностью 50Гц. Грубые подсчеты показывают необходимость ~ клистронов с импульсной мощностью ~50МВт. Это скорее даже не «непривлекательное», а невозможное решение! CLIC (слайдов: 22)
Вместо этого предложена двух-пучковая схема, где мощность для ускоряющей структуры доставляется вспомогательным пучком – драйвером, параллельным основному пучку. Энергия пучка-драйвера отбирается специальными ВЧ устройствами PET (Power Extraction and Transfer Structures) и доставляется к ВЧ структуре основного пучка. CLIC поделен на сектора длиной ~878 м каждый, при чем каждый сектор состоит из 3000 структур, ускоряющих основной пучок на 62ГэВ. Пучок-драйвер состоит из сгустков, так, что каждый сгусток питает одну структуру. Параметры драйвера: 2.4ГэВ, пиковый ток ~100A, а импульсная мощность 240ГВт! Порядка 84% энергии драйвера передается в ВЧ, остальные 16% уходят в дамп. Но, учитывая, что импульсы ВЧ всего 244 нс (чуть больше, чем длина сгустка), а частота повторения 50Гц, то средняя мощность, отдаваемая основному пучку, всего лишь 2.9МВт. Более источников питания (силовых преобразователей) необходимо для всех магнитов и клистронов! При огромном разбросе по таким параметрам, как номинальные токи и напряжения, рабочая частота и т.д. Огромное количество систем защит и блокировок. CLIC (слайдов: 22)
(слайдов: 43) 19 CLIC
CLIC (слайдов: 22)
(слайдов: 22) 21 Спасибо за внимание!
(слайдов: 22) 22 Литература The Compact Linear Collider Study. Collaborations Study/Collaborations.htmhttp://clic-study.web.cern.ch/CLIC- Study/Collaborations.htm CLIC CONCEPTUAL DESIGN REPORT, Vol 1: ConceptDesignRep.phphttp://clic-study.org/accelerator/CLIC- ConceptDesignRep.php FAIR project: NSLS-II_Conceptual_Design_Report: HL LHC studies: Future Circular Collider StudyFuture Circular Collider Study – очень полезный сайт!