3. Линейные электрон-позитронные и фотонные коллайдеры высокой энергии

    Работы по созданию электрон-позитронных линейных коллайдеров, работающих в ТэВ–м диапазоне энергий была начата в середине XX века в крупных научных центрах: ЦЕРН, СЛАК, ДЭЗИ, КЭК, ИЯФ, ХФТИ. Вскоре к ним примкнуло много других организаций со всего мира.
    СЛАК, КЭК и ЦЕРН представили проекты коллайдеров с «теплыми» линейными ускорителями, работающими на частотах 11,4 ГГц (СЛАК И КЭК) и 30 ГГц (ЦЕРН). В начале, внимание было сосредоточено на повышении градиента ускорения частиц посредством увеличения рабочей частоты ускоряющих структур. Увеличение градиента позволяло сокращать длину структуры и делать сооружение коллайдера более дешевым. Что касается коллайдера ДЭЗИ, то ставка делалась на исключение потерь в сверхпроводящем металле, из которого изготавливалась ускоряющая структура при охлаждении ее до низких температур (2º К). В разработке этого коллайдера использовался уже накопленный опыт по созданию сверхпроводящих структур ЛУЭ из ниобия, работавших на частоте 1,3 ГГц.
    В 2003 г учеными ряда азиатских стран был опубликован проект глобального линейного коллайдера [1]. Он основывался на использовании теплых ускоряющих структур, работающих на частоте 11,414 ГэВ. Однако, в 2004 г. Международная Рекомендательная комиссия по технологии ускорителей предложила изменить проект этого коллайдера, применив сверхпроводящую технологию. Было решено создать сверхпроводящий Международный линейный коллайдер, МЛК (International Linear Collider - ILC). Три существующих проекта: NLC (Next Linear Collider – следующий за первым Стэнфордским линейным коллайдером), GLC (Global linear collider – глобальный линейный коллайдер), и TESLA (Teraelectronvolt Energy Superconducting Linear Accelerator – сверхпроводящий коллайдер на энергию тераэлектронвольт), разрабатываемый в ДЭЗИ) были объединены в единый проект – МЛК (ILC). Эскизный проект МЛК был разработан и опубликован в феврале 2007 г. [2,3,4]. Следует отметить, что большую инициативу в части создания Международного линейного коллайдера проявила Национальная Арагонская лаборатория имени Э. Ферми (FERMILAB, NAL).
    Ниже будет кратко рассмотрен действующий электрон-позитронный коллайдер СЛАК, а также разрабатываемые проекты и достигнутые экспериментальные результаты двух линейных электрон-позитронных коллайдеров нового поколения: Международного коллайдера ILC и коллайдера CLIC (Сompact Linear Collider (см.Табл.1 -В) - компактный линейный коллайдер, разрабатываемый в ЦЕРН. Что касается японского коллайдера JLC (C), работающего в. С диапазоне длин волн, параметры которого также приведены в Табл.1-1, то вероятно он будет переориентирован на рентгеновский лазер на свободных электронах.
    Дальнейшая судьба, разрабатываемых в настоящее время электрон-позитронных коллайдеров зависит от результатов исследований, которые будут получены на коллайдере LHC. Если окажется, что основные вопросы фундаментальной физики могут быть решены при электрон-позитронных столкновениях с энергией в центре масс ниже 1 ТэВ, то предпочтение будет отдано сооружению Международного линейного коллайдера (ILC). Если станет необходим переход к энергиям ≥ 3 ТэВ, то начнется форсирование двух – пучкового компактного линейного коллайдера CLIC или других коллайдеров, например мюоноого коллайдера или коллайдера на основе ЛУЭ c кильватерным ускорением

    Коллайдеры вероятно являются самими сложными установками, где применяются электронные и позитронные линейные ускорители. В течение двух десятилетий выполнены многочисленные расчетно-теоретические, конструкторские и экспериментальные исследовательские работы по созданию этих новых линейных коллайдеров. Сооружены прототипы оборудования, включая прототипы начальных участков коллайдеров. Некоторые из них используются как самостоятельные исследовательские комплексы.. К ним можно отнести Комплекс Orion Facility, созданный на основе оборудования, разрабатывавшегося ранее для «Следующего линейного коллайдера» (Next Linear Collider, NLС) и Испытательный комплекс сверхпроводящего линейного ускорителя ТэВ диапазона энергий (TeV Energy Superconducting Linear Accelerator, TESLA Test Facility), называемый теперь комплексом. FLASH (Free-Electron Laser in Hamburg).

3.1. Стэнфордский электрон-позитронный коллайдер

    Первый и пока единственный работающий на физику линейный электрон-позитронный коллайдер (CЛК,SLC) создан на основе двух - мильного Станфордского линейного ускорителя SLAC [9-11] Основные параметры коллайдера, достигнутые в 1994-1995 году, приведены в Табл.2.3.

Таблица № 2.3. Основные параметры Стэнфордского электрон-позитронного линейного коллайдера (СЛК)

ПАРАМЕТРЫ	РАЗМЕРНОСТЬ	ВЕЛИЧИНА
Энергия в пучке	ГэВ	45,64 (91*)
Интенсивность	1×1010 частиц/сгусток	3,5
Частота следования импульсов	Гц	120
Горизонтальный эмиттанс	мм·мрад	60
Вертикальный эмиттанс	мм·мрад	10
Горизонтальный размер пучка в ТС	мкм	2.1
Вертикальный размер пучка в ТС	мкм	0,7
Энергетический разброс	%	0,12
Светимость	1030см-2с-1	0,8 **
Z0/час	час-1	80
е- поляризация	%	80
Рабочая частота ускоряющей структуры	ГГц	2,856

* Энергия в точке столкновения (ТС)
** Проектная светимость равна 6×10³⁰см^-2с^-1

Принципиальная схема коллайдера приведена на Рис.1-3.

Рис.1.3 Стэнфордский электрон-позитронный линейный коллайдер ( СЛК)

    Высокая светимость достигается за счет малых горизонтального и вертикального эмиттансов пучков и малого энергетического разброса. Это позволяет получить малые размеры пучка в точке столкновения. Применяется также достаточно большая частота следования сгустков и число электронов в сгустке. Кроме того в ускорителе используются демпфирующие кольца в линиях электронов и позитронов.
    Позитронный пучок создается электронным пучком ускорителя SLAC, который выводится из общей ускоряющей структуры и попадает на позитронную мишень.
    Позитроны выходят из мишени с энергией, близкой к 1 МэВ. После этого они коллимируются, фокусируются, ускоряются до энергии 200 МэВ и транспортируются к началу ускорителя по вакуумпроводу линии возврата позитронов, снабженному квадруполями. В первой ускоряющей секции происходит дальнейшее ускорение протонных сгустков. Одновременно в ускорителе ускоряются и два электронных сгустка, эмитируемые термо-электронной пушкой или электронной пушкой с поляризацией. В коллайдере достигнута 80% поляризация электронного пучка.
    С целью повышения светимости коллайдера в СЛК для снижения эмиттанса пучков применен метод радиационного демпфирования с использованием демпфирующих колец. Сгустки после ускорения на длине 100 м поступают в два 1,15 ГэВ демпфирующих кольца (протонное и электронное). Двигаясь в них, сгустки частично теряют свою энергию на синхротронное излучение и восстанавливают ее, проходя резонаторы, установленные в кольце. Синхротронная радиация замедляет движение частиц во всех направлениях - «демпфирует» пучок Энергия, получаемая от резонаторов, установленных в кольце, ускоряет частицы в желаемом направлении, делает траектории пучка боле параллельными. Все это и снижает эмиттанс ускоряемых пучков. Затем частицы выводятся из колец и направляются по оси ускоряющей структуры.
    Как указывалось выше, в коллайдере SLC используется ускоряющая структура ускорителя SLAC, основные параметры которого приведены в Табл.3.3. При сооружении коллайдера СЛК (SLC) в конструкцию ускорителя SLAC были внесены некоторые дополнения.

Таблица № 3.3. Основные характеристики ускоряющей системы ускорителя SLAC [11]

Характеристики	Величина
Рабочая частота (МГц)	2856
Число секций	960
Длина секции (м)	3,05
Сдвиг фазы на ячейку	2π/3
Мощность клистрона (МВт)	65
Среднее число ускоряющих секций на клистрон	4
ВЧ коэффициент заполнения	≈ 10-3

    Энергия сгустков электронов и позитронов в общей ускоряющей системе доводится до 45,5 ГэВ. Затем ускоренные частицы поступают в район столкновения. В этом районе кроме детекторов элементарных частиц размешаются также системы направления пучков в точку столкновения, и нагрузки для поглощения пучков после столкновения. Используются системы оконечной фокусировки пучков непосредственно перед точкой столкновения.
    С 1999 г основным целевым назначением коллайдера СЛК стало инжектирование электронных и позитронных пучков в коллайдер PEP – II, который представляет собой электрон-позитронный коллайдер с двумя накопительными кольцами, имевшими длину окружностей 1,4 км и 2,2 км.
    На коллайдере СЛК проведены широкие исследования по изучению свойств Z⁰ бозона.

3.2. Международный электрон-позитронный коллайдер

    Международный электрон-позитронный линейный коллайдер (International Linear Collider, ILC) проектируется на номинальную энергию в центре масс 500 ГэВ с возможностью увеличения энергии до величины >1 ТэВ. [2,3,4]. Основные номинальные проектные характеристики этого коллайдера приведены в Табл.4.3. а схема – на Рис.2.3.
    Предполагается, что полный технический проект коллайдера ILC будет готов к 2012 г, и в случае одновременного начала строительства, коллайдер может быть сооружен в районе 2018 - 2020 г.

Таблица № 4.3. Основные проектные номинальные характеристики коллайдера ILC (при энергии в центре масс 500 ГэВ) [2]

    Как уже отмечалось, в ILC используются основные сверхпроводящие ускоряющие структуры, которые возбуждаются на частоте 1,3 ГГц.
    Коллайдер ILC содержит большое число систем, создающих в точке столкновения пучки электронов и позитронов с прецизионными параметрами.
    Ниже рассматриваются некоторые из систем с целью описания принципа их работы и особенностей конструкций. Основное внимание уделяется ускоряющим структурам ЛРУ и системам их ВЧ питания.

Рис.2.3. Схема ILC с энергией в центре масс 500 ГэВ

Коллайдер содержит два основных ускорителя:

1. Ускоритель для получения поляризованных электронов.
2. Ускоритель позитронов.

    Многие системы, входящие в состав ускорителей, практически идентичны.

Инжектор электронного ускорителя

Система источника поляризованных электронов (Рис.3.3) [2,4] .включает в себя электронную пушку, к фотокатоду которой подводится постоянное напряжение, равное ~ 140 – 160 кВ.

Рис.3.3. Инжектор электронного ускорителя

    В пушке используется периодическая эмитирующая структура на основе кристаллов, содержащих слои CaAs-GAsP и InGaAs-AlGaAs. Эмиссия с катода управляется лазером. Лазерная система работает на длине волны 790 нм (подстраивается в интервале ± 20нм). Для обеспечения высокого срока службы фотокатода в электронной пушке с помощью ионных и геттерных насосов поддерживается вакуум < 3×10^-11 Тор.
    Электронные пушки и лазерные системы дублируются. Из пушки эмитируются сгустки электронов длительностью 1 нс с импульсным током 4,5 -5 А. длительность сгустков сокращается в субгармонических группирователях и в группирователе на бегущей волне. Два резонаторных субгармонических группирователя работают соответственно на частотах 216,7 МГц и 433,3 МГц и создают сгустки протяженностью до ~ 200 пс. Затем размещается 5-ти ячеечный группирователь на бегущей волне, работающий на частоте основной ускоряющей структуры, равной 1,3 ГГц. Он сокращает размер сгустка до ~ 20 пс (при скорости сгустков β = 0,75). Две теплых 50-ти ячеечных ускоряющих секции бегущей волны с β = 1 и напряженностью ускоряющего поля 8,5 МВ/м увеличивают энергию пучка до 76 МэВ. Каждая секция питается от одного 10 МВт многолучевого клистрона. Кроме того, еще один клистрон является запасным. Следует отметить, что структура рассчитана на сравнительно низкую электрическую напряженность ВЧ поля из – за очень большой длительности ВЧ импульса (1,6мс). Для фокусировки пучка группирователи и ускоритель на энергию 76 МэВ помещены в аксиальное магнитное поле с индукцией 660 Гс.
    Непосредственно после 76 МэВ ускорителя устанавливается устройство, осуществляющее вертикальную коллимацию с целью уменьшения энергетического разброса (вертикальный энергетический коллиматор). Устройство содержит систему дипольных магнитов, заставляющее пучок двигаться по зигзагообразной траектории (вигглеры).
    Затем пучок электронов поступает в суперпроводящий ЛУЭ для дальнейшего предварительного ускорения. В нем используются двадцать два стандартных и три дополнительных ускоряющих криомодуля, подобных криомодулям основных ускоряющих структур (описаны ниже). В сверхпроводящем ЛУЭ предварительного ускорения электроны увеличивают энергию до ~5 ГэВ. ЛУЭ состоит из двух участков. На первом участке электроны повышают энергию от 76 МэВ до 1,7 ГэВ, на втором – до 5 ГэВ. Каждый из 8 криомодулей СП ЛУЭ питается одним 10 МВт клистроном. Перед поступлением электронного пучка в демпфирующее кольцо в сверхпроводящем магните производится перевод спина электронов в вертикальное положение, а для уменьшения длины сгустков с целью осуществления энергетической компрессии, используются вигглеры (wiggler – формирователь периодического магнитного поля) и ускоряющие структуры, скомпонованные в криомодулях.

Инжектор позитронного ускорителя

    В ILC используется фотометод получения позитронов [2,4]. Пучок электронов с энергией 150 ГэВ, выведенный из части ускоряющей структуры основного ускорителя электронов, проходит через длинный спиральный ондулятор, где генерируется фотонный пучок (Рис.4), который облучает тонкую металлическую мишень. В возникающем электромагнитном ливне создаются позитроны. Позитроны захватываются, ускоряются и отделяются от других неиспользуемых х частиц ливня, а также от Неиспользуемого фотонного пучка. Затем они ускоряются до 5 ГэВ и поступают в позитронное демпфирующее кольцо.
    Мишень для получения позитронов представляет собой вращающейся диск из Ti Al сплава. Энергия частиц, выходящих из мишени (электроны и позитроны), составляет 3-55 МэВ.
    Пучок поступает в теплую структуру L-диапазона, захватывающую и ускоряющую позитроны с энергией до 125 МэВ. Структура соcтоит из двух секций стоячей волны, работающих на π моде, и трех секции бегущей волны. Затем происходит разделение пучков с помощью поворотных магнитов. Электронный пучок направляется на поглотитель, а позитронный - во второй теплый предускоритель, также работающий в L – диапазоне и состоящий из 8 –ми секций на бегущей волне. В этом ускорителе энергия позитронов доводится до 400 МэВ.Позитронный пучок снова выводится на центральную ось и ускоряется до 5 ГэВ, уже в сверхпроводящей ускоряющей структуре. Структура будет содержать 23 криомодуля с176 резонаторами. Ускоренные до 5 ГэВ позитроны направляются в позитронное демпферное кольцо.

Рис. 4.3. Инжектор позитронного ускорителя

    Помимо системы получения позитронов, описанной выше, разрабатывается также дополнительная резервная позитронная система. Она будет использоваться в случае отсутствия 150 ГэВ пучка из основного электронного ускорителя. Эта позитронная система представляет собой автономный ускоритель на энергию 500 МэВ. Пучок из ускорителя будет направляться на вольфрам-рениевую мишень для получения позитронов. Выходящие из мишени позитроны будут ускоряться в позитронном ускорителе, увеличивая энергию на 400 МэВ и затем вводиться в основной позитронный ускоритель.

Демпфирующие кольца

    Демпфирующие кольца электронных (позитронных) пучков длиной 6,7 км (Рис.2 -3) [2,4,12] выполняют следующие основные функции:

1. Сокращают поперечный и продольный эмиттансы пучка, что необходимо для получения высокой яркости в точке столкновения.
2. Уменьшают дрожание пучка в поперечном и продольном направлениях.
3. Осуществляют задержку сгустков, поступающих из комплекса источника электронов (позитронов), относительно последующих систем для того, чтобы компенсировать колебания от импульса к импульсу, возникающие при изменении таких параметров, как заряд в сгустке.

    Кольца способны накапливать полную последовательность сгустков (до 3000 – 6000 импульсов) с 200 мс интервалом между импульсами.
    Для выполнения перечисленных выше функций в состав демпфирующего кольца включены дипольные, квадрупольные, направляющие и секступольные магниты, а также 4 сверхпроводящих вигглера. Для ввода и вывода частиц из кольца используются ударные магниты (kicker) и септум магниты. Кольцо содержит сверхпроводящие резонаторы, ускоряющие частицы, чтобы скомпенсировать потери энергии сгустков, движущихся в кольце, на синхротронное излучение. Резонаторы возбуждаются на частоте 650 МГц (субгармоника частоты 1,3 ГГц).
    Демпфирующие кольца для электронов и позитронов, практически идентичные по конструкции, расположены в центре комплекса МЛК (ILC). Позитронное кольцо расположено над электронным. Как отмечалось выше, в демпфирующие кольца электроны и позитроны поступают с энергией 5 ГэВ из инжекторов ускорителей этих частиц. Выходя из демпфирующих колец, электроны и позитроны поступают в систему транспортировки пучков, а затем – в основные ускорители.

Система транспортировки пучков электронов (позитронов) от демпфирующих колец к входу в основные ускорители

    Система транспортировки пучков [2,4] выполняет следующие основные функции:

1. Транспортирует электроны и позитроны от демпфирующих колец к входу в основные ускорители.
2. Коллимирует ореолы пучков, создаваемые в демпфирующих кольцах.
3. Поворачивает вектор поляризации спина электронов от вертикального положения в положение, определяемое точкой столкновения.
4. Уменьшает длину сгустков, получаемых на выходе демпфирующих колец, в 30-45 раз, что требуют основные ускорители и параметры пучка в точке столкновения.
5. Увеличивает энергию электронов и позитронов, инжектируемых в основные ускоряющие структуры до 13 -15 ГэВ.

    Компрессия сгустков осуществляется двумя ступенями. Система содержит вигглеры и ускоряющие структуры. Ускоряющие структуры компрессоров увеличивают также энергию частиц, инжектируемых в основные ускорители, до15 ГэВ.
    В первую ступень ускорителей-компрессоров входят три криомодуля с восемью резонаторами в каждом. Во второй ступени используются 16 ВЧ блоков (плюс один запасной). Они идентичны ВЧ блокам основного ускорителя и используют 10 МВт клистроны, работающие на частоте 1,3 ГГц. Основные характеристики обоих вигглеров компрессора сгустков приведены в Табл.5.3.

Таблица № 5.3 Параметры виглеров компрессора сгустков

    Так как демпфирующие кольца расположены вблизи точки соударения пучков, а пучки по линии транспортировки поступают в начало основной ускоряющей структуры, длина системы транспортировки с участком поворота пучка велика и составляет 13,2 км.
    Для реализации перечисленных функций системы в ее состав входят также квадрупольные, дипольные, ударные, септум магниты и соленоиды. Ударные магниты используются для отклонения пучков с основной траектории в поглотители пучка.

Основные ускорители

    Два основных ЛУ ускоряют электроны или позитроны от энергии инжекции 15 ГэВ до конечной энергии 250 ГэВ. При этом сохраняются малые размеры эмиттансов пучков, что требует прецизионного контроля орбиты на основании показаний мониторов положения пучка с большим разрешением.
     Как сообщается в эскизном поекте ILC [2], в сновных ЛУЭ используются структуры на стоячей волне, работающие на моде π, в L – диапазон ( f =1,3 ГГц) с применением сверхпроводящих девятиячеечных резонаторов, изготовленных из ниобия. Некоторые характеристики этих ускоряющих структур приведены в Табл.6 - 3.

Таблица № 6.3. Некоторые характеристики основных сверхпроводящих ускоряющих структур ILC на стоячей волне

    Выбор рабочей частоты сделан как компромисс между высокой стоимостью ячейки резонатора при ее больших размерах на низкой частоте и снижением устойчивости ускоряющего градиента из-за увеличения поверхностного сопротивления на более высоких частотах.
    Вид колебаний выбран равным π. Известно, что π мода имеет более высокий шунт импеданс, чем любая из других рабочих мод [13]. С другой стороны при рабочем π виде колебаний имеет место меньшая дисперсия структуры и возможен перескок частоты на соседние виды колебаний, что снижает стабильность работы структуры. Возбуждение соседних мод уменьшается при высокой добротности резонатора, которая характерна для сверх проводящих структур. Следует отметить, что π мода соответствует верхней частоте отсечки, и групповая скорость волны на этой моде равна 0. Фактически передача энергии осуществляется на смежных частотах, величина которых близка к частоте π моды. Это несколько снижает шунтовое сопротивление структуры.
    Некоторые физические параметры, характеризующие пучок в основных ЛУ ILC представлены в Табл.7 - 3.

Таблица № 7 -3. Физические параметры основных ЛУЭ [2]

Рис.5.3. Сверхпроводящая структура из ниобия

    Ячейки резонаторов изготавливаются из тонких листов ниобия. Листы посредством глубокой вытяжки превращаются в колпачки (допуск изготовления ≈ 100 мкм), которые электронно-лучевой сваркой свариваются в резонансные ячейки, а 8 - 9 ячеек – в резонатор. Для получения высокой добротности Q₀ и высокой электрической прочности внутренняя поверхность ячеек подвергается электрополировке (вместо стандартной химической полировки). После электрополировки достигается шероховатость поверхности, оцениваемая в 0,5 мкм. Ускоряющие резонаторы погружаются в резервуар со сверхтекучим жидким гелием и температурой 2^оК. ВЧ потери составляют приблизительно 2 Вт/м. Ненагруженная добротность на рабочей частоте 1,3 ГГц достигает Q₀ ≈ 10⁹ – 10¹⁰, нагруженная добротность с пучком Q_ext = Q_beam ≈ 3·10 ⁶, ширина полосы Δf = 400 Гц. В проведенных исследованиях время заполнения ненагруженных резонаторов составляло 400 мкс, а длительность плоской вершины – 20 мкс. Девятиячеечный ниобиевый резонатор показан на Рис.5.3 [2].

Рис.6.3 Сверхпроводящий резонатор в криостате

   При разработке принимались меры по подбору геометрии ячеек, обеспечивающей снижение величины ВЧ магнитного поля, что позволяет увеличить допустимый градиент ускоряющего поля.
    Резонаторы (Рис.6 -3.) содержат два ответвителя с нагрузками для подавления высших пространственных мод, ВЧ датчики и устройства подстройки частот.
    Сверхпроводящие резонаторы размещены в 1680 крио-модулях. Каждый криомодуль содержит 8-ми или 9-ти ячеечные резонаторы.. Три криомодуля питаются от одного ВЧ блока. Каждый блок содержит один 10 МВт клистрон с элементами волноводного тракта. Для распределения ВЧ мощности по резонаторам и развязки клистрона от резонансных нагрузок используются волноводные гибридные соединения. В состав ВЧ блока входит также импульсный модулятор, питающий клистрон.
    Схема блока ВЧ питания высокого уровня мощности с криомодулями представлена на Рис. 7.3 [2,4].

Рис.7.3. Схема ВЧ блока основного ускорителя (три криомодуля)

    Каждый криомодуль кроме ускоряющих резонаторов содержит также индивидуальную систему высоковакуумной откачки, теплоизолированные трубки для подвода жидкого гелия. В резонаторе, содержащем 8 ячеек, устанавливается сверхпроводящий квадруполь, также охлаждаемый гелием, и корректирующие катушки. Параллельно криомодулям располагаются устройства, транспортирующие жидкий гелий, и вакуумные устройства. Высокий вакуум обеспечивается с помощью турбомолекулярных и ионных насосов.
    Состав и размеры элементов ускоряющей системы основного ЛРУ приведены в Табл.8.3, а параметры ВЧ блока – в Табл.9.3.

Таблица № 8.3. Состав и суммарные геометрические размеры элементов ускоряющей системы основного ЛУЭ [2]

* Суммарное число ВЧ блоков в электронном и позитронном ЛУЭ.
Электронный ЛУЭ содержит 278 ВЧ блоков

Таблица № 9.3. Основные параметры ВЧ блока [2]

    В Международном линейном ускорителе могут использоваться L – диапазонные клистроны с импульсной мощностью !0 Мвт, разработанные рядом фирм: CРI, модель VKL-8301; Thales, модель TH 1801; Toshiba, MBK E3736.
    В основном электронном линейном ускорителе предусмотрен отвод ускоренных электронов с энергией 150 ГэВ для создания позитронного пучка (смотри Рис 2.3).
    Ускоряющие резонаторы и система ВЧ питания основных ускорителей расположены в двух параллельных туннелях, расположенных на глубине 100 – 150 м (в зависимости от рельефа местности). Диаметр каждого туннеля составляет 4,5 м. Туннели расположены параллельно на расстоянии 5 – 7 метров. В «туннеле ускорителя» размещены криогенные модули с ускоряющими устройствами и другая криогенная и вакуумная аппаратура, элементы волноводного тракта. В «туннеле обслуживания» размещаются клистроны, элементы волноводного тракта, модуляторы клистрона, измерительная аппаратура.
    В литературе рассматривалось несколько вариантов основной ускоряющей структуры Международного коллайдера. Помимо описанной выше структуры на стоячей волне, как альтернативная, в [14] рассматривается структура бегущей волны с рекуперацией ВЧ мощности.

Система доставки частиц в точку столкновения

    Электронный и позитронный пучки, выходящие из основных ускорителей, доставляются в точку столкновения и отводятся после прохождения через эту точку с помощью системы доставки пучков (Рис.2.3) [2,4] . Основными участками системы, начинающейся с выхода электронного и позитронного основных ускорителей, являются:

• подсистемы диагностики пучков перед точкой столкновения,
• линий быстрого извлечения пучков и их регулировки,
• конечной фокусировки пучков,
• области взаимодействия,
• линии отвода пучков после взаимодействия, их измерение и поглощение.

    Система содержит большое число магнитных устройств, измерительную аппаратуру и поглотители пучков.
    Следует отметить, что линии пучка электронного и позитронного ускорителей пересекаются в точке столкновения под углом 14,5 мрад. 14 мрад геометрия обеспечивает пространство для анализа пучков, но требует использования сверхпроводящих резонаторов отклонения, которые поворачивают пучки и направляют их горизонтально для столкновения лоб в лоб. Столкновение под углом ≤ 2 мрад необходимо для сохранения яркости пучка в точке столкновения. [15]. В резонаторах отклонения используется ТМ₁₁₀ дипольный вид колебаний. Осевое ВЧ электрическое поле отсутствует, но имеется магнитное поле, отклоняющее сгусток в горизонтальном направлении. Угол отклонения зависит от фазы влета сгустка в резонаторы отклонения. Эти резонаторы устанавливаются в линиях как электронного, так и позитронного пучка на расстоянии 12 – 13 метров от точки столкновения. Система резонаторов отклонения содержит два 3,9 ГГц 9-ти ячеечных сверхпроводящих резонатора, установленных в криомодуле длиной 2-3 м.
    Cистема доставки пучков содержит большое число магнитных устройств, в том числе сверхпроводящих. Она содержит также устройства, контролирующие параметры сгустков электронов и позитронов, использующие обратные связи.

3.3. Компактный коллайдер (КЛК, СLIC)

   Как отмечалось выше, кроме Международного линейного коллайдера ILC длительное время ведется разработка компактного электрон-позитронного коллайдера CLIC.[8] Его основные характеристики приведены в Табл.10.3, а схема коллайдера – на Рис.8.3.
    Экспериментальные работы по коллайдеру CLIC в настояшее время проводятся на исследовательском и испытательном стенде СTF3.

Таблица № 10.3. Основные характеристики коллайдера CLIC на энергию в центре масс 3 ТэВ

    Коллайдер CLIC будет иметь длину, сравнимую с коллайдером ILC, несмотря на существенно более высокую энергию частиц, Это достигается благодаря использованию в ~10 раз более высокой частоты ВЧ колебаний и уровня ВЧ мощности, вводимой в каждую основную ускоряющую секцию. CLIC будет работать при малых длительностях ВЧ импульса, но частота следования импульсов по сравнению с коллайдером ILC будет увеличена в 10 раз. В CLIC cсущественно уменьшены размеры сгустка в точке столкновения пучков.
    Схема ВЧ питания коллайдера СLIC является, вероятно, наиболее сложной среди всех схем ВЧ питания резонансных линейных ускорителей.. В ней применяются источники ВЧ колебаний, работающие в нескольких частотных диапазонах и использующие разные принципы генерирования этих колебаний.
    Первоначально с целью уменьшения длины основных ускоряющих структур этого коллайдера, их рабочая частота была выбрана равной 30 ГГц, а градиент ускоряющего поля – 150 МВ/м. Однако, из-за невозможности гарантированно поддерживать такую напряженность поля, в 2008 г. было принято решение о снижении рабочей частоты основных ускорителей до 12 ГГц. При этом новый средний градиент был установлен равным 100 кВ/м. Возможность получения такой напряженности поля на частоте 11,414 ГГц при крайне малом числе пробоев была продемонстрирована до этого на стенде SLAC [7]. Интересно отметить, что, несмотря на отказ использовать в коллайдере CLIC частоту 30 ГГц, в начале ХХI века в центре SLAC продолжались работы по экспериментальному определению электрической прочности ускоряющих структур на рабочей частоте 91,392 ГГц.
    В связи с изменением частоты и ускоряющего градиента основных ЛУ пришлось изменить и параметры этого коллайдера (некоторые проектные параметры CLIC до и после 2008 г приведены в Табл.1-3.
    В отличие от обычных схем в CLIC используется принцип двух-лучевого ускорения [7]. Питание основных многосекционных ускоряющих структур ЛУ электронов и позитронов осуществляется не клистронами, а ВЧ энергией, которая генерируется в де-ускорителях при торможении релятивистского пучка ускорителей-возбудителей.
    Для получения требуемой энергии в центре масс и светимости к каждой из секций ускоряющей структуры основных ЛРУ необходимо подвести ВЧ импульсную мощность 60-64 МВт при длительности ВЧ импульса 240 нс [8]. Источники ВЧ энергии (клистроны) на такую мощность, частоту (12 ГГц) и длительность импульсов (до1,2 мкс) сейчас имеются. С целью уменьшения числа клистронов ВЧ мощность обычно повышают, применяя технику компрессии ВЧ импульса, или технику задержанного распределения. В этом случае один клистрон может питать несколько секций. Аналогичная техника в принципе может быть использована и в CLIC.
    Однако в этом коллайдере получение ВЧ импульсов для питания основных структур полностью выполняется с использованием электронных пучков.
    При рассмотрении, систему ВЧ питания коллайдера целесообразно разбить на две части: систему ВЧ питания основных ускоряющих структур (Рис.8.3 и 9.3) и систему ВЧ питания инжекторных комплексов основных ускорителей (Рис 14.3).
    Питающие пучки с длинным мпульсом, разбитом на пакеты, первоначально создаются в “низкочастотных” ЛУЭ, работающих на частоте 1,5 ГГц (или 3 ГГц). Затем используется техника суммирования пакетов сгустков, содержащихся в этих импульсах (субимпульсы), в петле задержки и суммирующих кольцах. Происходит преобразование структуры пучка при одновременном увеличении импульсного тока в пакете с целью получения мощных ВЧ импульсов на частоте 12 ГГц. Преимущество применения электронных пучков по сравнению с ВЧ схемами состоит в малых потерях при транспортировке электронных пучков на большие расстояния. Другим преимуществом является возможность частотной манипуляции в петле задержки и суммирующих кольцах, осуществляемой при сложении пакетов сгустков с помощью использования ВЧ дефлекторов, отклоняющих пучок.
    Таким образом, источники ВЧ мощности основных ЛРУ представляют собой комплекс с использованием ускоренного электронного пучка. В комплексе создаются и преобразуются длинные «низкочастотные» ВЧ импульсы в более короткие и мощные ВЧ импульсы высокой частоты.

Рис. 8.3. Схема электрон-позитронного  коллайдера CLIC на энергию 3 ТэВ. СК-1 – суммирующее кольцо 1, СК-2 - суммирующее кольцо 2, Ц.М. –центр масс

    Во время этого процесса энергия запасается в релятивистском электронном пучке, пакеты сгустков которого суммируются, чтобы получить желаемую временную структуру, а затем транспортируются к месту использования кинетической энергии.
    Там энергия извлекается из электронного пучка в резонансных де-ускоряющих структурах, которые расположены параллельно структурам основных ускорителей.
    Важной особенностью системы является высокая эффективность ускорения возбуждающего пучка и обратного преобразования его кинетической энергии в ВЧ энергию. Для получения ВЧ импульсов, возбуждающих основные структуры электронного и позитронного ЛРУ, используются одинаковые ускорители возбуждающего пучка и системы манипуляции электронного пучка и де-ускорения.
    Для получения эффективных характеристик сталкивающихся пучков необходимо иметь систему, формирующую на входе в основные структуры электронного и позитронного ЛРУ CLIC компактные сгустки с малыми поперечными размерами и малым энергетическим разбросом (Рис.10-3). Следует отметить, что это достигается не только благодаря использованию ускоряющих структур, работающих на высоких частотах, но и магнитных систем колец предварительного демпфирования и колец основного демпфирования сгустков заряженных частиц инжекторов электронного и позитронного ЛРУ.
    Ниже рассматривается каждая из этих систем.

Cхема ВЧ питания основных ускоряющих структур ЛРУ коллайдера CLIC и конструкция этих структур

Системы ЛУЭ возбуждающего пучка

    Электронный пучок, возбуждающий ВЧ мощность в основных структурах электронного или позитронного ЛРУ коллайдера, создается в ЛУЭ возбуждающего пучка. Каждая из этих систем содержит 326 основных ускоряющих секций на бегущей волне.
    Секция длиной приблизительно 3,75 м. получает импульсную мощность в 33 МВт от одного клистрона, генерирующего на частоте 1 ГГц (или на частоте 3 ГГц). Длительность ВЧ импульса – 139 мкс. Используется полная нагрузка структуры током пучка при номинальном ускоряемом токе 4,21 А. Около 98 % ВЧ энергии должно передаваться пучку [18]. Каждый ускоритель должен обеспечить получение электронов с энергией 2,38 ГэВ [7,19].
    Энергия для создания ВЧ колебаний первоначально запасается в пакетах сгустков (суб-импульсах) возбуждающего электронного пучка длительностью около 139 мкс. Эта длительность при релятивистской скорости электронов соответствует двойной длине основного ЛУЭ (2×21 км). Как отмечалось выше, структуры полностью нагружаются током, так что ВЧ мощность на выходе секций практически равна нулю и не поступает во внешнюю ВЧ нагрузку. Эта нагрузка, однако, используется при наладке ЛУЭ возбуждающего пучка.
    Инжектируемый пушкой пучок (непрерывный в импульсе) поступает в резонаторный группирователь, который формирует сгустки с частотой следования 499,8 МГц на входе в основные предгруппирователь и группирователь ЛУЭ. Эти захватывающие и догруппирующие устройства работают на частоте 999,5 МГц (основная частота ЛУЭ возбуждающего пучка). Фаза волны в резонаторном группирователе быстро изменяется на 180º каждые 240 нс. Электроны, попавшие в противофазу волны основных группирующих устройств, не захватываются в режим ускорения. В результате формируются пакеты (суб-импульсы) электронов. Каждый длинный импульс содержит 24×24 = 576 пакета электронов. Пакет имеет длительность 240 нс и содержит 120 сгустков. Расстояние между сгустками составляет 2 нс. В принципе, при применении электронной пушки с фотокатодом и лазерным управлением током эмиссии с частотой 499,8 МГц, может быть использован лазерный метод изменения частоты следования сгустков. Применение лазерного управления дало бы ряд преимуществ. В частности -возможность создать наклон импульса выходной ВЧ мощности в системе извлечения и передачи этой мощности. Этот наклон может использоваться для подавления энергетического разброса, возникающего при нагрузке током пучка структур основных ЛРУ коллайдера.

Рис. 9.3. Схема ВЧ питания основных ускорителей возбуждающим пучком

 

Рис.10.3. Общий вид элемента секции структуры SICA [9]

   Были изучены два типа секций ускорителя возбуждающего пучка. Один из них предназначался ранее также для основных ускорителей этого коллайдера. В нем использовалась коническая структура с демпфированием паразитных колебаний посредством введения радиальных прорезей в нагружающих диафрагмах (“Tapered Damped Structure”, TDS). Второй тип структуры, получивший название «разрезанные диафрагмы с постоянной апертурой» ( Slotted Iris – Constant Aperture, SICA ) это – структура с прорезями в диафрагмах и постоянной апертурой. Она имеет 4 прорези в каждой диафрагме, которые переходят в заостренный волновод с SiC поглощающей нагрузкой (Рис.10.3). В случае использования рабочей частоты 999,5 МГц диаметр внешней секции оказывается очень большим и составляет 1,3 м. В связи с этим был рассмотрен другой вариант структуры SICA на частоту 2998,55 МГц. Внешний диаметр этой структуры по сравнению со структурой TDS уменьшается в три раза. Аналогичная структура была разработана и исследована на испытательном стенде комплекса CLIC Test Facility 3 – CFT3. Некоторые экспериментально полученные результаты опубликованы в работе [20].
   Параметры проектируемых ускоряющих структур SICA на частоты 999,5 МГц и 2998,55 МГц приведены в Табл.11.3.

Таблица № 11.3. Характеристики ускоряющих структур SICA ускорителя – возбуждающего пучка коллайдера CLIC [7,8].

    Очень важными характеристиками структур SICA является большая эффективность преобразования ВЧ мощности, создаваемой клистронами, в кинетическую энергию возбуждающего пучка, а также низкие добротности структур, ограничивающие возбуждение их дипольными модами кильватерных полей. Несмотря на то, что диаметры апертуры отверстий в структуре SICA постоянны, структура не обладает постоянным импедансом. Импеданс изменяется в связи с изменением размеров диаметра и носика ячейки.

Системы суммирования пакетов сгустков

    Формирование отдельных пакетов сгустков создает возможность с помощью поперечных ВЧ дефлекторов, расположенных на входе и выходе петли задержки и в суммирующих кольцах, совмещать пакеты сгустков [7,8] . Механизм этого суммирования состоит в следующем. Каждый нечетный пакет сгустков, выходящий из ЛУЭ возбуждающего пучка, отклоняется ВЧ полем дефлектора на входе петли задержки, имеющим частоту 499,8 МГц. Пакет проходит через постоянное поле ее магнитных устройств по своей равновесной орбите. Каждый четный пакет поступает в петлю задержки не отклоненным, и проходит ее уже по другой орбите. Из-за различия длин этих траекторий, будучи разделенными на входе в петлю временным интервалом 240 нс, пакеты покидают петлю одновременно. С помощью выходного ВЧ дефлектора, также работающего на частоте 499,8 МГц, пакеты совмещаются попарно и выводятся из петли. Число пакетов после петли задержки равно 12, т.е. сокращается вдвое, а заряд в каждом пакете возрастает в два раза. В два раза возрастает и частота следования сгустков в пакете. Длинный импульс преобразуется в периодическую последовательность пакетов возбуждающего пучка с большими интервалами между ними. Такой же принцип используется, чтобы сложить пакеты по трое в первом суммирующем кольце, имеющем длину 145 м. Два 999,5 МГц ВЧ дефлектора создают локальную деформацию равновесной орбиты в кольце. Первый ВЧ дефлектор вводит пакет в кольцо, а второй ВЧ дефлектор выводит все его сгустки на равновесную орбиту. Длина кольца равна расстоянию между пакетами плюс λ/3, где λ – расстояние между сгустками, равное длине волны ВЧ дефлекторов. В результате, в течение каждого оборота ВЧ фаза, которую видят сгустки, вращающиеся в кольце, увеличивается на 120^◦. Когда инжектируется второй пакет, первый уводится сетум-магнитом кольца с равновесной орбиты и его сгустки располагаются между сгустками предыдущего пакета (на расстоянии λ/3) . Затем это повторяется снова, после чего три совмещенных пакета выводятся из первого кольца его кикер-магнитом. После первого кольца в длинном сгустке содержится 4×24 = 96 пакета. Аналогичный механизм используется во втором суммирующем кольце длиной 437 м.шл
    В результате на выходе второго суммирующего кольца имеют место импульсы длительностью 139 мкс, следующие с частотой 50 Гц. Каждый импульс содержат 24 пакета компактно расположенных сгустков. Ток в пакете соответственно увеличивается с 2,4 А до 100 А. Пакеты следуют с частотой около 0,172 МГц при расстоянии между пакетами 1736 м (период следования пакетов составляет 5,8 мкс). Временная длина пакета сохраняется равной 240 нс. Каждый пакет состоит из 2904 сгустков с суммарным зарядом 8,4 нКл/пакет. В петле задержки и суммирующих кольцах частота следования сгустков в пакете увеличивается в 24 раза, то есть возрастает с 0,5 ГГц до 12 ГГц. Соответственно расстояние между сгустками сокращается с 60 см до 2,5 см.
    Исследования работы петли задержки и суммирующих колец проводятся в экспериментальном комплексе CTF3. В работах [7,22] приведены результаты экспериментов по совмещению пакетов в петле задержки и суммирующих кольцах.

Де-ускоритель и основной ускоритель. Модули

    После второго суммирующего кольца пучок транспортируется на большое расстояние к входу в де-ускоритель пучка возбуждения [8]. Основные характеристики де-ускорителя и основного ускорителя приведены в Табл. 12.3.
    Структуры де-ускорителя и основного ускорителя скомпонованы в единые модули. Приблизительно1500 модулей объединяются в сектор.

Таблица № 12.3. Основные характеристики де-ускорителя и основного ускорителя

    Каждый ускоритель содержит 24 сектора (смотри Рис.8.3). Каждый стандартный модуль содержит 4 структуры извлечения ВЧ мощности ( СИМ, PETS) и восемь структур основного ускорителя (СОУ) (Рис.11.3). В структурах СИМ происходит преобразование кинетической энергии сгустков возбуждающего пучка в ВЧ энергию. Каждый модуль СИМ питает четыре ускоряющих структуры (СОУ) основных ЛРУ. Модуль содержит также квадруполи для поддержания поперечных размеров сгустков, тормозящихся и ускоряемых частиц, и волноводные линии для передачи ВЧ энергии из СИМ в СОУ.
    Волноводные линии содержат бесконтактный переход от прямоугольного волновода к круглому. Чтобы препятствовать вытеканию ВЧ энергии наружу, используются дроссельные фланцы [23]
    СИМ представляет собой структуру на бегущей волне с постоянным импедансом. Величина ВЧ мощности (P), генерируемой сгустком пучка в этой структуре, может быть оценена по формуле [22]

,

(1.3)

где i – ток пучка, l – активная длина структуры, F_b – форм-фактор сгустка, ω – частота сгустка, R – импеданс на метр длины, Q – добротность структуры, v_g – групповая скорость.
    Энергия электронов пучка возбуждения в 24-х секторах снижается с 2,4 ГэВ до 0,24 ГэВ. В конце каждого модуля неиспользованная энергия пучка поглощается нагрузкой. Когда сгустки основного пучка перемешаются вперед, они продолжают наращивать энергию за счет ВЧ мощности, получаемой в следующей СИМ.

Рис.11.3. Стандартный модуль основного ускорителя СИМ- секция извлечения ВЧ мощности, БРП – блок регулировки пучка, КВЛ – квадрупольная линза,  СОУ - секция основного ускорителя.

    Cтруктура СИМ [23] содержит демпфирующие разрезы, в которых располагаются нагрузки, сильно поглощающие колебания высоких поперечных пространственных мод. Опасность появления этих мод, расположенных на частотах близких к частоте основной рабочей моды возрастает в периодических структурах с увеличением групповой скорости. Разрезы в дисках (или открытые волноводы), через которые также производится откачка, естественно улучшают вакуум структур СИМ. В конце каждой структуры СИМ расположены согласующие устройства, к которым подключаются волноводы. Некоторые характеристики СИМ приведены в Табл.13.3.

Таблица № 13.3. Характеристики структуры СИМ

Апертура, мм	23
Сдвиг фазы на ячейку	π/2
r0/Q, Ом/м	2295
vg/с	0,453
Q	7200
Активная длина, м	0,213 (34 ячейки)
Ток пучка возбуждения, А	101
ВЧ мощность, МВт	136

    Расчетная эффективность отвода ВЧ мощности из секции СИМ составляет 99%. Величина а/λ принята равной 0,49. Необходимо отметить низкий импеданс СИМ.
    Параметры основных ускоряющих систем приведены в Табл. 14.3.

Таблица № 14.3. Параметры ускоряющей структуры

Рис.12.3. Геометрия ячейки основной ускоряющей структуры с сильным поглощением мод высшего порядка [8]

    Сейчас в основных ускорителях также как и в структурах ЛУЭ возбуждающего пучка и СИМ планируется использовать диафрагмированные волноводы на бегущей волне, но не со щелями в диафрагмах, а с открытыми волноводами, которые будут осуществлять демпфирование высших пространственных гармоник. В новых структурах используются не круглые, а прямоугольные резонансные ячейки (Рис.12.3 ) [18]
    Использование открытых волноводов несколько повышает электрическую прочность конструкции. Структура сохраняет высокое демпфирование дипольных мод в трех диапазонах частотах: 16,74; 17,21 и 17,67 ГГц и низкий импульсный нагрев. Малый прирост температуры во время прохождения ВЧ импульса обеспечивает высокую механическую прочность медной структуры.
    Параметры такой структуры модели CLIC_G приведены в Табл. 15.3 [8]

Таблица № 15.3. Характеристики основной ускоряющей структуры ЛУЭ коллайдера CLIC [8]

    При последних испытаниях прототипа структуры с рабочей частотой 11,4 ГГц, проведенных в комплексе СTF3, структура с сильным уменьшением апертуры к концу структуры обладала постоянным ненагруженным градиентом 100 МВ/м при длительности импульса 230 нс. [7]. Электрическое поле на поверхности ячейки превышало 300 МВ/м.

Системы ВЧ питания инжекторных комплексов

Электроны или позитроны поступают в основные ЛРУ из инжекторных комплексов. Схема этих комплексов представлена на Рис.13.3.

Рис.13 -3 Схема инжекционного комплекса основных ЛРУ (Линейные ускорители  электронов  - ЛУЭ и протонов - ЛУП) 

    Источник поляризованных электронов рассчитан на получение 4,4·10⁹ частиц с 80% поляризацией. Поляризация создается в электронной пушке – фото-инжекторе с постоянным напряжением на катоде 120-200 кВ. Управление током эмиссии осуществляется облучением GaAs катода пучком лазера. Лазер с самого начала создает требуемую временную структуру и формирует сгустки с частотой следования 2 ГГц. В пушке создаются импульсы, каждый из которых содержит 313 сгустков с суммарным зарядом 0,9 нКл.
    ЛУЭ – пред-инжектор, работающий на частоте 2 ГГц, ускоряет электроны до 200 МэВ. За ним следует ЛУЭ-инжектор, возбуждаемый на этой же частоте и ускоряющий электроны до 2,2 ГэВ. Нагруженный градиент ЛУЭ-инжектора составляет 15 МВ/м.
    Источник позитронов содержит термоэмиссионную пушку с неполяризованными электронами. Эти электроны поступают в ЛУЭ первичного пучка и ускоряются до 5 ГэВ (ускоритель работает на частоте 2 ГГц). Вышедшие из этого ускорителя электроны направляются на первую кристаллическую вольфрамовую мишень. В этой мишени создается мощный поток фотонов. Он конвертируется во второй аморфной вольфрамовой мишени в поток заряженных частиц (е^- и е⁺ ). Выход позитронов усиливается вследствие процесса каналирования. Для направления позитронов в прединжекторный ЛУЭ служит адиабатическое магнитное устройство. Позитроны ускоряются в пред-инжекторном ЛУ протонов до 200 МэВ, после чего попадают в упомянутый выше инжекторный ЛУЭ, единый для электронов и позитронов.
    Выходящие из этого ЛУ электроны и позитроны с энергией 2,4 ГэВ направляются в предварительные и основные демпфирующие кольца, где благодаря синхротронному излучению с использованием .вигглеров и других магнитных устройств сокращаются размеры сгустков и уменьшаются продольные эмиттансы.
    Для компенсации потерь энергии на синхротронное излучение и дальнейшего уменьшения протяженности сгустков используются ускоряющие устройства, работающие на частоте 4 ГГц и расположенные перед входом в компрессоры сгустков.[8,35] Магнитные зигзагообразные компрессоры сгустков состоят из 4-х диполей, которые создают путь, используемый для компрессии сгустков в продольном направлении. В компрессорах сгустков более быстрые частицы пучка движутся по более коротким траекториям. Если сгусток перед входом в компрессор промодулирован в ЛРУ таким образом, что частицы с высокой энергией находятся в хвосте сгустка, то будет осуществляться его компрессия [34].
    Затем пучки поступают в бустерный ЛРУ, где их энергия повышается на 6,6 ГэВ и составляет на выходе 9 ГэВ. Бустерный ЛРУ также работает на частоте 4 ГГц. Перед компрессорами сгустков, установленными на входе в основные ускорители, расположены секции ЛРУ, работающие на частоте 12 МГц. Они также позволяют сократить размер сгустков и скомпенсировать потери на синхротронное излучение в компрессоре [8,35].
    Увеличение частоты ВЧ колебаний в последних ускоряющих секциях системы инжекции сначала до 4-х ГГц, а затем до 12 ГГц не приводит к увеличению частоты следования сгустков, ускоряемых в основных ЛУ. Сгустки ускоренных электронов или позитронов, инжектируемые в основные ускоряющие структуры, имеют частоту следования 2 ГГц. Число сгустков в импульсе (пакете) составляет на выходе основного ЛУ 312 сгустков/импульс. В каждом пакете содержится 3,72×10⁹ электронов.

3.4. Фотонные коллайдеры

    Помимо электрон-позитронных, протонных, ионных коллайдеров и их симбиозов, во второй половине XX века началось рассмотрение проектов фотонных [24] и мюонных коллайдеров. Фотонные коллайдеры, вероятно будут дополнять электрон-позитронные линейные коллайдеры, (например Международный линейный коллайдер, МЛК) [25].
    Фотон (часто его обозначают буквой g) можно рассматривать как элементарную точечную бесструктурную частицу. Это отличает его (как электрон и позитрон) от протона, состоящего из кварков. Сила взаимодействия фотона с заряженной частицей определяется только зарядом этой частицы (обычно электроном) [24].
    В коллайдерах вся энергия фотона может быть использована для создания других частиц и проникновения на малые расстояния.
    Фотоны высокой энергии обладают большим поперечным сечением для заряженных частиц, с которыми он сталкивается. Фотонные коллайдеры можно очень эффективно использовать в физике элементарных частиц. Они обладают уникальными возможностями для исследования физики W и Z бозонов, природы нарушения симметрии в электрослабых взаимодействиях (в том числе при изучении бозона Хиггса), для обнаружения новых частиц и взаимодействий, для исследования эффектов, обусловленных тонкими деталями квантовой хромо-динамики [24]. В настоящее время вопросы использования фотонных пучков широко рассматривается при разработке ILC [27].
    В линейных коллайдерах электроны и позитроны не теряют энергию на синхротронное излучение. Однако эффекты, связанные с электромагнитным излучением, имеют место при столкновении e⁺e^– сгустков. Для преодоления этих эффектов приходится изменять форму этих сгустков, уменьшая, к сожалению, при этом геометрическую светимость. В случае фотонных коллайдеров эти проблемы не возникают, и можно с самого начала использовать более плотные пучки заряженных частиц, сохраняя светимость [24].
    Принцип создания фотонных коллайдеров был предложен и продолжает разрабатываться сотрудниками Института Ядерной физики им. Г.И. Будкера (Россия) [24,28].

Рис.14.3 Схема конверсии релятивистских электронов в фотоны

   Фотоны высокой энергии предполагают получать с использованием комптоновского рассеяния лазерного пучка на пучке высоко-энергетичных электронов коллайдера. В линейных электрон-позитронных коллайдерах размеры сгустков в точке столкновения малы, что позволяет при умеренной энергии лазерной вспышки (менее 10 Дж) и получать высокий коэффициент конверсии энергии электронов в энергию фотонов. Схема конверсии представлена на Рис. 14.3.
    Первичный пучок фотонов создается непосредственно сверхмощным лазером ТэВ-го диапазона энергий. Этот пучок фокусируется на пучок коллайдера (расположен слева в области «С» ), которая находится на расстоянии «b» в нескольких сантиметрaх от точки центра масс (ЦМ). Лазерный пучок испытывает комптоновское рассеяние на электронных сгустках пучка коллайдера. После этого высокоэнергетичные фотоны двигаются практически по первоначальным траекториям электронов. ЛУЭ. Около 80% энергии электронов передается фотонам. Рассеянные электроны отводятся с помощью магнитного поля, а созданный рабочий фотонный пучок направляется к центру масс. С другой стороны к центру масс направляются сгустки второго ЛУЭ коллайдера. В этом случае мы имеем дела с фотонным коллайдером типа (ge или γe). Если фотонный конвертер устанавливается также на пути электронного пучка второго коллайдера, то мы получаем второй рабочий лазерный пучок. Он сталкивается в центре масс с первым фотонным рабочим пучком [24,29]. Позитронный пучок в фотонном коллайдере оказывается не нужным.
    В работах [24,27]отмечается, что область конверсии электронного пучка в фотоны может рассматриваться как элемент электрон-фотонного коллайдера. Такой коллайдер будет обладать небольшой энергией в центре масс, но с громадной светимостью - 10³⁸-10³⁹ см^-2 ×c^{- 1} . На нем можно будет детально исследовать процессы в сверхсильных электромагнитных полях и искать новые очень слабо взаимодействующие частицы.
    Вероятно, первый фотонный коллайдер будет реализован на основе Международного линейного коллайдера (МЛК, ILC) [25,30,31].
    Фотонный коллайдер не может являться дополнительным оборудованием МЛК.и должен разрабатываться вмести с другими его системами. Лазерная система. фотонного коллайдера может эффективно использоваться только в случае, если он будет являться составной частью коллайдера, работающего во всем комплексе режимов: e⁺e ^– , γγ, γe, e^-e^-. Были проведены многочисленные расчетно-теоретические исследования, посвященные фотонному режиму работы. Так в работах [30,32,33] рассматриваются случаи, когда оба сталкивающихся пучка будут фотонными.
    Некоторые из расчетных параметров фотонного режима МЛК представлены в Табл.15.3. Там же приведены параметры e⁺e^– режима.
    В фотонных коллайдерах для получения высокой светимости и нормальной работы детекторов важным является угол пересечения сталкивающихся фотонных пучков и его корректировка при переходе от режима e⁺e^– к режиму γγ [30]. Для осуществления этой корректировки планируется использовать упомянутые выше сверхпроводящие резонаторы, возбуждаемые на моде ТМ₁₁₀.

Таблица № 15.3. Основные параметры каждого из пучков МЛК в фотонном режиме (Энергия пучка 250 ГэВ)

    Для высокой конверсии энергии электронных пучков коллайдера в рабочие фотонные пучки, необходимо корректно выбирать параметры первичного фотонного пучка, включая длину волны лазера. В Табл.16 – 3 приведены некоторые из характеристик лазерной системы, которую предполагается использовать в МЛК [30].

Таблица № 16.3. Некоторые характеристики лазерной системы для фотонного режима коллайдера МЛК

    В линиях первичного пучка фотонов (лазер) будет использоваться система зеркал.

Литература к Главе 3

[1] GLC Project Report, 2003 //Asian Committee for Future Accelerator; Japan High Energy Physical Committee; KEK – High Energy Accelerator Research Organization /http:// ic.dev.kek.jp/RM draft

[2] “International Linear Collider Reference Design Report 2007”.// http://media.linearcollider.org /rdr_draft_v1.pdf.

[3] “International Linear Collider – Wikipedia”// http:// en. Wikipedia.org /wiki/ International_Linear_Collider

[4] ILC Reference Design Report // Nan Phinney/ SLAC-PUB-13044

[5] “Report From the International Linear Collider Technical Review Committee”// G.A. Loew /ICFA Seminar CERN October 8-11 2002. /scip.ucsc.edu/LC/talks/loew.pdf С-диапазоннве ЛУЭ Loew.pdf

[6] “ Status and Future Prospects for CLIC ”// S. Doebert / 2008 Linear Accelerator Conference, September 29 – October 3, 2008, Canada, TU 203. http://thshare.triumf.ca/~linac08 proc/Proceedings/papers/tu 203.pdf

[7] “The CLIC STUDY of MULTI-TeV e^± LINEAR COLLIDER”// J-P. Delahaye et all/ Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference. New York, 1999, pp 250-252

[8] “CLIC 2008 PARAMETERS”// H. Braun et all / CLIC-Note-764. [9]”The Stanford Linear Collider”//Paul Emma /http://cateseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?dol=10.1.1.46 59138 rep= rep18type = pdf

[9] “Status of the Stanford Linear Collider”// J, T. Seeman/ SLAC-PUB-6127, April 1993

[10] “SLAC National Accelerator Laboratory”// http://en.wikipedia.org/wiki/SLAC_National_Accelerator_Laboratory

[11] “Accelerating Structures” // G.A. Loew and R.B. Neal // Раздел В1.1. в книге“Linear accelerators”, edited by P.M. Lapostolle end A.L. Septier, , HORTH-HOLLAND PUBLISHING COMPANY – AMSTERDAM. 1970.

[12] “ An Introduction to the ILC Damping Rings” // A. Wolsky / http:// www.adams-institute.ac.uk/lectures/200611_wolsky_DampingRings

[13] “Conceptual Design of an L- band Recirculating Superconducting Traveling Wave Accelerator Structure for ILC” // P. Avrakhov et al. / http://lss.final.gov/archive/2007/conf/fermilab-conf-07-254- td.pdf..

[14] “The Development of a Superconducting Traveling Cavity with High Gradient”// P. Avrakhov et al./Phisical of Particles and Nuclei Letters, 2008, Vol.5, No7, pp 597-600

[15] “Progress Towards Crab Cavity Solution for the ILC”//G. Burt et al./Proceedings of EPAC 2006. Edinburg. Scotland. MOPLS075, pp. 724-72 http:// elementy/ru/news/430743

[16] “Design of an X-Band Accelerating Structure for the CLIC Main Linac” // A. Grudnev and W. Wuensch / Proceedings of LINAC08, Victoria, BC, Canada. THP062, pp.919-921

[17] “ High power testing of fused quartz-based dielectric-loaded accelerating structure // Jing, C. et all / Proceedings of the Particle Accelerator Conference, 2007. PAC. IEEE, p. 3157-3159

[18] “First Full Beam Loading Operation With the CTF3 Linac” // R. Corsini et all./ SLAC–PUB-10762

[19] “Overview of CLIC and CTF3”// I. Saratchev / Сборник докладов XVIII Конференции по ускорителям заряженных частиц RUPAC-2002, т.1, с. 36-43.

[20] “CLIC CNF-3”// F.Tecker/ CLIC-Note-730

[21] “Technical Specification for the CLIC Two-Beam Module”// G. Riddone et all/ Proceedings of EPAC08, Genoa, Italy. MOPP028, pp 607-609.

[22] “ MULTI-MODE SLED-II PULSE COMPRESSOR”// S.V. Kuzikov et all /Proceedings of LINAC 2004, THP28 pp. 660-662

[23] “ A Multy-Moded RF Delay Linear Distribution System” //S.G. Tantawi et all / SLAC-PUB-9125

[24] «Фотонные коллайдеры и исследование фундаментальных взаимодействий»// И. Ф. Гинзбург/ http://www-fima-ru.narod.ru/

[25] “ Studies for a Photon Collider at the ILC”// F. Bechtel et al./ Nucl. Instrum. Methods A 564 (2006) 243, 261

[26] «COLLID-04»—СТЭНФОРД—НОВОСИБИРСК // Газета « Наука в Сибири» N 26-27 (2462-2463) 2 июля 2004 г.

[27] Гинзбург И. Ф., Коткин Г. Л., Политыко С. И. //Ядерная физика. 1993. Т. 56. С. 1487-1493.

[28] “Physical program for photon colliders”//Jlya Ginzburg/ ar Xiv: hep-ph/9507233v1

[29] « Физика хиггсовского бозона на будущих фотонных коллайдерах»// И.П.Иванов/ http://hnature.web.ru/db/msg.html?mid=1181352

[30] “Studies for a Photon Collider at the ILC”// F. Bechtel at al./ DESY 06-007 26^th January2006 Препринт arXiv:physics/0601204v2 [physics.ins-det] 19 Apr 2006

[31] “The Photon collider at ILC: status, parameters and technical problems” // V.I. Telnov / arXiv:physics/0604[08v] [physics.acc-ph]

[32] “ TESLA Technical design report. Part II: The accelerator”// R. Brinkmann et al./ DESY-01-011B

[33] ECFA/DESY Photon Collider Working Group Technical Design Report, Part VI Chapter 1: Photon Collider at TESLA// B. Badelek et al ./ hep-ex/0108012 DESY-01-011E

[34]”Magnetic Chicane Bunch Compressors” .// http://pbpl.physics.ucla.edu/Research/Technologies/Magnets/Electromagnets/Dipoles/Chicane_Bunch_Compressors.

[35] “... Conceptual Design of Bunch Compressors and. Turn Around Loops for a Multi-TeV Linear Collider,. Report on the Deliverables of the BCDES Task ...www.eurotev.org/...eurotev/.../EUROTeV-Report-2008-086.pdf