A Glimpse on CLIC D. Schulte for the CLIC team D. - - PowerPoint PPT Presentation

A ¡Glimpse ¡on ¡CLIC ¡

• D. ¡Schulte ¡for ¡the ¡CLIC ¡team ¡
• D. ¡Schulte ¡

1 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

41 Institutes from 21 countries

Gazi Universities (Turkey) Helsinki Institute of Physics (Finland) IAP (Russia) IAP NASU (Ukraine) IHEP (China) INFN / LNF (Italy) Instituto de Fisica Corpuscular (Spain) IRFU / Saclay (France) Jefferson Lab (USA) John Adams Institute/Oxford (UK)

• Polytech. University of Catalonia (Spain)

PSI (Switzerland) RAL (UK) RRCAT / Indore (India) SLAC (USA) Thrace University (Greece) Tsinghua University (China) University of Oslo (Norway) Uppsala University (Sweden) UCSC SCIPP (USA) ACAS (Australia) Aarhus University (Denmark) Ankara University (Turkey) Argonne National Laboratory (USA) Athens University (Greece) BINP (Russia) CERN CIEMAT (Spain) Cockcroft Institute (UK) ETHZurich (Switzerland) FERMILAB John Adams Institute/RHUL (UK) JINR (Russia) Karlsruhe University (Germany) KEK (Japan) LAL / Orsay (France) LAPP / ESIA (France) NCP (Pakistan) NIKHEF/Amsterdam (Netherlands) North-West. Univ. Illinois (USA) Patras University (Greece)

World-­‑wide ¡CLIC&CTF3 ¡CollaboraKon ¡

• D. ¡Schulte ¡

2 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Conceptual ¡Design ¡Report: ¡ ¡ Towards ¡European ¡Strategy ¡for ¡HEP ¡(mid ¡2012) ¡

3 ¡volumes: ¡hUp://project-­‑clic-­‑cdr.web.cern.ch/project-­‑CLIC-­‑CDR/ ¡

– Vol ¡1: ¡ ¡The ¡CLIC ¡accelerator ¡and ¡site ¡faciliKes ¡

• Feasibility ¡study ¡of ¡CLIC ¡parameters ¡opKmized ¡at ¡3 ¡TeV ¡(most ¡demanding) ¡
• ApplicaKon ¡to ¡500 ¡GeV ¡as ¡first ¡stage ¡and ¡intermediate ¡energy ¡range ¡ ¡

– Vol ¡2: ¡ ¡The ¡CLIC ¡physics ¡and ¡detectors ¡

• ¡ExploraKon ¡over ¡mulK-­‑TeV ¡energy ¡range ¡up ¡to ¡3 ¡TeV ¡

– Vol ¡3: ¡ ¡CLIC ¡study ¡summary ¡

• Comprehensive ¡summary ¡for ¡European ¡Strategy ¡
• Staging ¡scenario ¡compaKble ¡with ¡LHC ¡Physics ¡
• Including ¡cost ¡& ¡power ¡drivers ¡& ¡issues ¡(R&D ¡miKgaKon ¡in ¡next ¡phase) ¡
• Proposing ¡objecKves ¡and ¡work ¡plan ¡of ¡post-­‑CDR ¡phase ¡

¡ ¡

Schedule: ¡ ¡

December ¡2011: ¡Dra^s ¡Vol ¡1 ¡& ¡2 ¡presented ¡@ ¡SPC ¡for ¡ comments ¡ Spring ¡2012: ¡Final ¡Vol ¡1, ¡2 ¡& ¡3 ¡to ¡European ¡Strategy ¡for ¡PP ¡

• D. ¡Schulte ¡

3 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

TA BC2 delay loop 2.5 km decelerator, 24 sectors of 876 m 797 klystrons 15 MW, 139 µs CR2 CR1 circumferences delay loop 73.0 m CR1 292.2 m CR2 438.3 m BDS 2.75 km IP TA BC2 delay loop 2.5 km 797 klystrons 15 MW, 139 µs drive beam accelerator 2.38 GeV, 1.0 GHz CR2 CR1 BDS 2.75 km 48.3 km CR combiner ring TA turnaround DR damping ring PDR predamping ring BC bunch compressor BDS beam delivery system IP interaction point dump drive beam accelerator 2.38 GeV, 1.0 GHz BC1

Drive Beam Main Beam

e+ injector, 2.86 GeV e+ PDR 398 m e+ DR 421 m booster linac, 6.14 GeV e+ main linac e– injector, 2.86 GeV e– PDR 398 m e– DR 421 m e– main linac, 12 GHz, 100 MV/m, 21.02 km

Main Beam Generation Complex Drive Beam Generation Complex

CLIC ¡Layout ¡at ¡3 ¡TeV ¡

• D. ¡Schulte ¡

4 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

CLIC ¡Main ¡Parameters

http://cdsweb.cern.ch/record/1132079?ln=fr http://clic-meeting.web.cern.ch/clic-meeting/clictable2007.html

High ¡gradient ¡to ¡reduce ¡cost ¡

• Break ¡down ¡of ¡structures ¡at ¡high ¡fields ¡

and ¡long ¡pulses ¡

• Pushes ¡to ¡short ¡pulses ¡
• and ¡small ¡iris ¡radii ¡(high ¡wakefields) ¡

High ¡luminosity ¡

• Improve ¡wall ¡plug ¡to ¡RF ¡efficiency ¡
• Push ¡RF ¡to ¡beam ¡efficiency ¡
• Push ¡single ¡bunch ¡charge ¡to ¡beam ¡

dynamics ¡limit ¡

• Reduce ¡bunch ¡distance ¡to ¡beam ¡

dynamics ¡limit ¡

• Push ¡specific ¡luminosity ¡-­‑> ¡High ¡beam ¡

quality ¡

• Beam-­‑based ¡alignment ¡and ¡tuning ¡
• Excellent ¡pre-­‑alignment ¡
• Component ¡stabilisaKon ¡
• D. ¡Schulte ¡

5 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Two-­‑beam ¡Scheme

RF ¡power ¡is ¡produced ¡by ¡drive ¡beam ¡ Drive ¡beam ¡100A ¡current, ¡2.5GeV ¡ Main ¡beam: ¡1.2A, ¡1500GeV ¡

• D. ¡Schulte ¡

6 ¡

• A. Samoshkin

RF ¡Power ¡per ¡structure ¡~65MW ¡ No ¡of ¡structures ¡~140,000 ¡ Total ¡power ¡~ ¡9.1 ¡PW ¡

MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

140 µs train length - 24 × 24 sub-pulses 4.2 A - 2.4 GeV – 60 cm between bunches 240 ns 24 pulses – 101 A – 2.5 cm between bunches 240 ns 5.8 µs

Drive beam time structure - initial Drive beam time structure - final

CLIC RF POWER SOURCE LAYOUT

Drive Beam Accelerator

efficient acceleration in fully loaded linac Power Extraction

Drive Beam Decelerator Section (2 × 24 in total) Combiner Ring × 3 Combiner Ring × 4

pulse compression & frequency multiplication pulse compression & frequency multiplication

Delay Loop × 2

gap creation, pulse compression & frequency multiplication

RF Transverse Deflectors

CLIC ¡Drive ¡Beam ¡GeneraKon ¡Concept ¡ ¡

• D. ¡Schulte ¡

7 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

CLIC: ¡Why ¡100 ¡MV/m ¡and ¡12 ¡GHz ¡? ¡ ¡

• OpKmisaKon ¡1 ¡

– Luminosity ¡per ¡ linac ¡input ¡ power ¡

• OpKmisaKon ¡2 ¡

– Total ¡project ¡ cost ¡

A.Grudiev ¡

• D. ¡Schulte ¡

8 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Can ¡We ¡Achieve ¡the ¡Energy? ¡

• D. ¡Schulte ¡

9 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Main Linac Gradient Limitations ¡

• Structures ¡suffer ¡from ¡breakdown ¡

– Need ¡to ¡limit ¡rate ¡of ¡breakdowns ¡to ¡ p=3x10-­‑7m-­‑1pulse-­‑1 ¡

• Structure ¡design ¡based ¡on ¡empirical ¡constraints ¡

– Maximum ¡surface ¡field: ¡Esurf<260MV/m ¡ – Maximum ¡temperature ¡rise ¡of ¡the ¡surface: ¡ ΔT<56K ¡ – Maximum ¡power ¡flow ¡through ¡the ¡iris: ¡P/(2πa) τ1/3<18MW/mm ¡ns1/3 ¡

• Experiments ¡are ¡essenKal ¡to ¡confirm ¡the ¡structure ¡

performance ¡ – No ¡calculaKon ¡from ¡first ¡principle ¡exists ¡

• D. ¡Schulte ¡

10 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

• ¡Structures ¡measured ¡with ¡no ¡

beam ¡loading ¡

• ­‑> ¡need ¡to ¡repeat ¡measurement ¡

with ¡beam ¡ Will ¡test ¡TD24 ¡this ¡year ¡

• ¡expect ¡similar ¡or ¡slightly ¡beUer ¡

performance ¡

AcceleraKng ¡Structure ¡Results ¡(SLAC/KEK) ¡

• S. ¡Doebert ¡et ¡al. ¡

80 85 90 95 100 105 110 115 120 10

• 7

10

• 6

10

• 5

10

• 4

10

• 3

Average unloaded gradient (MV/m) B r e a k d

• w

n p r

• b

a b i l i t y / ( m ) T18 [1] 230 ns, 1400 h T18 [2] KEK 252 ns T18 [3] 230 ns, 200 h TD18 [1] 230 ns, 1000 h TD18 [2] KEK 252 ns 2000h TD18 [2] KEK 252 ns 2500h CLIC goal

• D. ¡Schulte ¡

11 ¡

• Structures ¡improve ¡

with ¡Kme ¡ (condiKoning) ¡

• ¡Hard ¡to ¡measure ¡

gradient ¡at ¡low ¡break ¡ down ¡rate ¡

• ­‑> ¡have ¡to ¡extrapolate ¡

beam ¡ Simple ¡early ¡design ¡ to ¡get ¡started ¡ More ¡efficient ¡fully ¡

• p6mised ¡structure ¡

No ¡damping ¡ waveguides ¡

T18 ¡ T24 ¡

Damping ¡waveguides ¡ ¡

TD18 ¡ TD24 ¡= ¡CLIC ¡goal ¡

MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

60 ¡ 70 ¡ 80 ¡ 90 ¡ 100 ¡ 110 ¡ 120 ¡ 130 ¡

Unloaded ¡Gradient ¡at ¡CLIC ¡4*10-­‑7 ¡BDR ¡and ¡180 ¡ns ¡Pulse ¡Length ¡

T18 ¡– ¡strong ¡tapering ¡ T18 ¡– ¡strong ¡tapering ¡ T18 ¡– ¡strong ¡tapering ¡(now ¡with ¡recirculaKon) ¡ T18 ¡– ¡strong ¡tapering ¡(CERN ¡built) ¡ ¡ TD18 ¡– ¡waveguide ¡damping ¡ T24 ¡– ¡high ¡efficiency ¡ TD18 ¡– ¡waveguide ¡damping ¡ T24 ¡– ¡high ¡efficiency ¡ MV/m ¡ 1400 ¡ 3900 ¡ 550 ¡ 1300 ¡ 3200 ¡ 280 ¡ 600 ¡

condiKoning ¡ ¡ Kme ¡[hr] ¡

Interrupted ¡by ¡earthquake ¡in ¡Japan ¡ 1570 ¡

• D. ¡Schulte ¡

12 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

PETS ¡Results ¡ ¡

Klystron ¡based ¡(SLAC): ¡

• ¡achieved: ¡137 ¡MW/266 ¡ns/1.2 ¡10-­‑6 ¡
• ¡target: ¡132MW/240ns/10-­‑7 ¡

Beam ¡based ¡(with ¡recirculaKon): ¡

• ¡Power ¡
• ¡130 ¡MW ¡peak ¡at ¡150 ¡ns ¡
• ¡Limited ¡by ¡aUenuator ¡and ¡phase ¡

shi^er ¡breakdowns ¡

• ¡Power ¡producKon ¡according ¡to ¡

predicKons ¡ Structures ¡had ¡damping ¡slots ¡but ¡no ¡ damping ¡material ¡ ¡ Novel ¡design ¡of ¡on-­‑off ¡mechanism ¡

• ¡will ¡be ¡tested ¡this ¡year ¡

More ¡tesKng ¡is ¡needed, ¡condiKons ¡ should ¡be ¡improved ¡

• D. ¡Schulte ¡

13 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

• D. ¡Schulte ¡

MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡ 14 ¡

150 MeV e-linac

PULSE COMPRESSION FREQUENCY MULTIPLICATION CLEX (CLIC Experimental Area) TWO BEAM TEST STAND PROBE BEAM Test Beam Line

3.5 A - 1.4 µs 28 A - 140 ns

30 GHz test stand Delay Loop Combiner Ring

total length about 140 m

magnetic chicane

Photo injector tests, laser

Infrastructure from LEP

Two-­‑Beam ¡AcceleraKon: ¡ CLIC ¡Test ¡Facility ¡(CTF3) ¡

• Demonstrate ¡Drive ¡Beam ¡generaKon ¡ ¡

(fully ¡loaded ¡acceleraKon, ¡beam ¡intensity ¡and ¡bunch ¡frequency ¡mulKplicaKon ¡x8) ¡

• Demonstrate ¡RF ¡Power ¡ProducKon ¡and ¡test ¡Power ¡Structures ¡
• Demonstrate ¡Two ¡Beam ¡AcceleraKon ¡and ¡test ¡AcceleraKng ¡Structures ¡

15 ¡

Drive ¡Beam ¡GeneraKon ¡

• ¡Delay ¡loop ¡and ¡combiner ¡ring ¡

worked, ¡some ¡improvements ¡ remain ¡to ¡be ¡done ¡

• ¡slight ¡increase ¡in ¡

current ¡

• ¡opKmisaKon ¡of ¡beam ¡

transport ¡in ¡combiner ¡ ring ¡

• S. Bettoni et al.

CERN

• ¡Full ¡beam ¡loading ¡operaKon ¡

demonstrated ¡

• ¡Current ¡stability ¡in ¡drive ¡beam ¡

accelerator ¡before ¡combinaKon ¡ system ¡is ¡beUer ¡than ¡target: ¡ ¡ ¡0.54 ¡10-­‑3 ¡vs. ¡0.75 ¡10-­‑3 ¡

Current ¡from ¡ ¡ Linac ¡ Current ¡a^er ¡ ¡ Delay ¡Loop ¡

Current ¡in ¡the ¡ring ¡

30A ¡

DL ¡

CR ¡

• D. ¡Schulte ¡

MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Decelerator ¡sector: ¡~ ¡1 ¡km, ¡90% ¡of ¡energy ¡extracted ¡

Two-­‑beam ¡Test ¡Stand: ¡

• ¡Single ¡PETS ¡with ¡beam ¡
• ¡AcceleraKng ¡structure ¡with ¡beam ¡
• ¡wake ¡monitor ¡
• ¡kick ¡on ¡beam ¡from ¡break ¡down ¡
• ¡IntegraKon ¡

Test ¡Beam ¡Line: ¡ ¡

• ¡Drive ¡beam ¡transport ¡(16 ¡PETS) ¡
• ¡beam ¡energy ¡extracKon ¡and ¡

dispersion ¡

• ¡wakefield ¡effects ¡
• D. ¡Schulte ¡

16 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Nominal ¡Two ¡Beam ¡AcceleraKon ¡Demonstrated ¡

RF ¡Phase ¡ Scan ¡ ¡23 ¡MeV ¡beam ¡accelera6on ¡ ¡106 ¡MV/m ¡accelera6ng ¡gradient ¡

TD24 ¡

• D. ¡Schulte ¡

17 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Drive ¡Beam ¡DeceleraKon ¡

• ¡Drive ¡beam ¡has ¡high ¡current ¡(100A) ¡and ¡

large ¡energy ¡spread ¡(factor ¡10) ¡

• ¡SimulaKons ¡show ¡that ¡the ¡beam ¡is ¡

stable ¡

• ¡Several ¡iteraKons ¡of ¡PETS ¡design ¡
• ¡Test ¡Beam ¡Line ¡(TBL) ¡under ¡construcKon ¡will ¡

increase ¡confidence ¡

• ¡the ¡first ¡PETS ¡installed ¡(8 ¡for ¡end ¡2011) ¡
• ¡beam ¡to ¡the ¡end ¡

18 ¡

• E. Adli et al.Oslo Univ. / CERN
• D. ¡Schulte ¡

MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Tunnel ¡implementa6on ¡ ¡

Central ¡Injector ¡complex ¡ Central ¡MDI ¡& ¡Interac6on ¡Region ¡

Site ¡Availability ¡

• D. ¡Schulte ¡

19 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Can ¡We ¡Achieve ¡the ¡Luminosity? ¡

• D. ¡Schulte ¡

20 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Luminosity ¡and ¡Parameter ¡Drivers ¡

Damping ¡Ring ¡ BDS ¡

¡ ¡ ¡Main ¡Linac ¡

Damping ¡Ring ¡ RTML ¡ Main ¡Linac ¡ BDS ¡ Main ¡Linac ¡ Achieving ¡each ¡parameter ¡has ¡some ¡risk ¡ Need ¡to ¡ensure ¡that ¡we ¡can ¡achieve ¡each ¡parameter ¡

• D. ¡Schulte ¡

21 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Power ¡Efficiency ¡

Beam ¡power ¡

• CLIC: ¡ ¡Pbeam= ¡28MW ¡
• ILC: ¡Pbeam ¡= ¡22MW ¡
• D. ¡Schulte ¡

22 ¡

Increase ¡beam ¡current ¡as ¡much ¡as ¡possible ¡ CLIC: ¡ηRF-­‑>beam~ ¡30% ¡ ¡ILC: ¡ηRF-­‑>beam~ ¡60% ¡

Pbeam= ¡ηwall-­‑>RF ¡ηRF-­‑>beam ¡Pwall ¡

Drive ¡beam ¡issue ¡ Main ¡beam ¡issue ¡

MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Bunch ¡Charge ¡LimitaKon ¡

ParKcles ¡leave ¡a ¡ longitudinal ¡field ¡in ¡ the ¡structure ¡ Generates ¡energy ¡ spread ¡ Offset ¡parKcles ¡leave ¡ a ¡transverse ¡field ¡ Can ¡lead ¡to ¡ instability/emiUance ¡ growth ¡

• D. ¡Schulte ¡

23 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Single-­‑Bunch ¡Main-­‑Linac ¡Effects ¡

• D. ¡Schulte ¡

24 ¡

Target ¡is ¡less ¡than ¡5nm ¡emiUance ¡growth ¡ with ¡90% ¡probability ¡ Values ¡for ¡imperfecKons ¡are ¡agreed ¡with ¡our ¡ ¡ survey/instrumentaKon/RF ¡experts ¡

0.2 0.4 0.6 0.8 1 2 4 6 8 10 p(y>y,0) y,0 [nm]

MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

MulK-­‑Bunch ¡Effects ¡

Extract ¡wakefields ¡through ¡damping ¡ waveguides ¡ Residual ¡bunch-­‑to-­‑bunch ¡effect ¡is ¡ acceptable ¡

• D. ¡Schulte ¡

25 ¡

2 4 6 8 10

• 3
• 2
• 1

1 2 3 y/y,0 W1/6.6kVpC-1m-2 point length full

MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Ultra ¡Low ¡Beam ¡EmiUances/Sizes ¡ ¡

• The ¡many ¡challenges ¡addressed ¡by ¡simulaKons, ¡experiments ¡

and ¡technical ¡development ¡ ¡

– Electron ¡cloud ¡-­‑> ¡beam ¡pipe ¡design ¡and ¡other ¡miKgaKon ¡ – Fast ¡beam-­‑ion ¡instability ¡-­‑> ¡vacuum ¡quality ¡ – ATF2 ¡as ¡a ¡model ¡of ¡the ¡BDS ¡ – RF ¡stability ¡-­‑> ¡robust ¡design, ¡phase ¡feed-­‑forward, ¡… ¡ – Pre-­‑alignment ¡imperfecKons ¡-­‑> ¡la|ce ¡design, ¡beam-­‑based ¡alignment, ¡ wake ¡monitors, ¡unprecedented ¡survey ¡accuracy ¡ – Dynamic ¡imperfecKons ¡-­‑> ¡beam-­‑based ¡feedback, ¡mechanical ¡element ¡ stabilisaKon, ¡… ¡ – Many ¡detailed ¡components ¡

• Cabling ¡and ¡power ¡supplies, ¡magnets, ¡instrumentaKon, ¡… ¡

– … ¡

• Will ¡only ¡show ¡two ¡examples ¡
• D. ¡Schulte ¡

26 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

• ¡More ¡work ¡remains ¡to ¡be ¡done ¡
• ¡Found ¡two ¡bad ¡points ¡due ¡to ¡

mechanical ¡problem ¡-­‑> ¡will ¡give ¡ beUer ¡performance ¡

• ¡Stake-­‑out ¡error ¡needs ¡to ¡be ¡

determined ¡

Survey ¡System ¡Results ¡

Th Touze et al., CERN

27 ¡

• D. ¡Schulte ¡

Wire ¡reference ¡accuracy ¡ Target: ¡10um ¡ ConvenKonal: ¡100um ¡ Achieved: ¡11um ¡

MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

28 ¡

Important ¡Example: ¡Ground ¡MoKon ¡

• ¡Tight ¡tolerances ¡on ¡magnet ¡mechanical ¡stability ¡
• ¡main ¡linac ¡~1nm ¡
• ¡final ¡doublet ¡~0.2nm ¡
• ¡correlaKons ¡maUer ¡
• ¡Beamline ¡elements ¡move ¡
• ¡ground ¡moKon ¡(site ¡dependent) ¡
• ¡technical ¡noise ¡
• K. ¡Artoos ¡et ¡al ¡
• D. ¡Schulte ¡

5 10 15 20 25 30 20 40 60 80 100 120 Time [s] Luminosity [%] nominal IPFB + PRE + BBFB & LFB

Prepare ¡for ¡a ¡bad ¡site ¡

• ­‑> ¡beam-­‑based ¡feedback ¡is ¡not ¡

good ¡enough ¡

• ­‑> ¡prepare ¡hardware ¡stabilisaKon ¡

Implement ¡what ¡is ¡needed ¡

MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Main ¡Linac ¡Transfer ¡FuncKon ¡

Transfer ¡funcKon ¡is ¡complex ¡ Modified ¡ground ¡moKon ¡ generator ¡to ¡correctly ¡ model ¡this ¡ In ¡reality ¡will ¡have ¡also ¡acKve ¡ stabilisaKon ¡

29 ¡

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 0.1 1 10 100 T(!! f [Hz] ya=yb ya=-yb

a ¡ b ¡

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 0.1 1 10 100 T(!! f [Hz] QD0 QF1

Transfer ¡to ¡QD0 ¡

• A. ¡Gaddi ¡et ¡al. ¡

Transfer ¡for ¡coherent ¡moKon ¡

• D. ¡Schulte ¡

MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Main ¡Linac ¡Quadrupole ¡StabilisaKon ¡

• System ¡reduces ¡quad ¡

movements ¡above ¡1 ¡Hz ¡(int. ¡ RMS ¡1 ¡nm) ¡

• Reduces ¡emiUance ¡growth ¡

and ¡beam ¡jiUer ¡for ¡high ¡ frequencies ¡

• Implemented ¡transfer ¡

funcKon ¡into ¡beam ¡dynamics ¡ code ¡

– For ¡the ¡moment ¡all ¡ elements ¡are ¡moved ¡with ¡ transfer ¡funcKon ¡ – But ¡magnets ¡completely ¡ dominate ¡the ¡luminosity ¡ loss ¡

• D. ¡Schulte ¡

30 ¡

0.001 0.01 0.1 1 10 100 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

Transfer Frequency [Hz] quadrupole stabilisation quadrupole stabilisation targeted future design

• K. Artoos et al.

MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

SimulaKon ¡Results ¡

Full ¡simulaKon ¡of ¡ ground ¡moKon, ¡ stabilisaKon ¡and ¡beam-­‑ based ¡feedback ¡ PLACET/GUINEA-­‑PIG ¡ Very ¡liUle ¡luminosity ¡ loss ¡is ¡remaining ¡ Mainly ¡driven ¡by ¡micro ¡ seismic ¡peak ¡

• D. ¡Schulte ¡

31 ¡

• J. Snuverink
• J. Pfingstner

MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Are ¡the ¡Experimental ¡CondiKons ¡OK? ¡

• D. ¡Schulte ¡

32 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

CLIC ¡Detector ¡Issues ¡ ¡

• Detector ¡requirements ¡are ¡close ¡to ¡those ¡for ¡ILC ¡detectors ¡

– First ¡studies ¡indicate ¡that ¡ILC ¡performances ¡are ¡sufficient ¡ – Adapt ¡ILD ¡and ¡SID ¡concepts ¡for ¡CLIC ¡ – Close ¡collaboraKon ¡with ¡validated ¡ILC ¡designs ¡

• Differences ¡to ¡ILC ¡

– Larger ¡beam ¡energy ¡loss ¡ – Time ¡structure ¡(0.5ns ¡vs. ¡370ns) ¡ – Higher ¡background ¡

• High ¡energy ¡
• Small ¡bunch ¡spacing ¡

– Other ¡parameters ¡are ¡slightly ¡modified ¡

• Crossing ¡angle ¡of ¡20 ¡mradian ¡(ILC: ¡14 ¡mradian) ¡

– Larger ¡beam ¡pipe ¡radius ¡in ¡CLIC ¡(30mm) ¡ – Slightly ¡denser ¡and ¡deeper ¡calorimetry ¡

• Linear ¡collider ¡detector ¡study ¡has ¡been ¡established ¡at ¡CERN ¡beginning ¡of ¡

2009 ¡(led ¡by ¡L. ¡Linssen, ¡see ¡hUp://www.cern.ch/lcd) ¡

• D. ¡Schulte ¡

33 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Beam-­‑Beam ¡Effect ¡

Bunches ¡are ¡squeezed ¡ strongly ¡to ¡maximise ¡ luminosity ¡ Electron ¡magneKc ¡fields ¡are ¡ very ¡strong ¡ Beam ¡parKcles ¡travel ¡on ¡ curved ¡trajectories ¡ They ¡emit ¡photons ¡(O(1)) ¡ (beamstrahlung) ¡ They ¡collide ¡with ¡less ¡than ¡ nominal ¡energy ¡

• D. ¡Schulte ¡

MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Flat ¡Beams ¡

Beamstrahlung ¡is ¡described ¡by ¡the ¡beamstrahlung ¡parameter ¡

• D. ¡Schulte ¡

35 ¡

Classical ¡regime ¡(ILC) ¡ Quantum ¡regime ¡(CLIC ¡@3TeV) ¡ Luminosity ¡is ¡proporKonal ¡to ¡ Beamstrahlung ¡depends ¡on ¡ Hence ¡use ¡ Also ¡consistent ¡with ¡naturally ¡ flat ¡beams ¡from ¡damping ¡rings ¡

MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Beamstrahlung ¡OpKmisaKon ¡

1 10 100 100 Lpeak/N, Ltotal/N [1024m-2] !x/N [nm/1010] !z=25!m !z=50!m !z=75!m !z=100!m 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Lpeak/N [1024m-2] Lpeak/Ltotal !z=25!m !z=50!m !z=75!m !z=100!m

For ¡fixed ¡spectrum ¡quality ¡one ¡obtains: ¡ Total ¡luminosity ¡is ¡given ¡by: ¡ CLIC ¡is ¡in ¡quantum ¡regime ¡ Number ¡of ¡emiUed ¡photons ¡is ¡given ¡by: ¡

• D. ¡Schulte ¡

36 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Spent ¡Beam ¡Content ¡

Spent ¡beam ¡parKcles ¡ Beamstrahlung ¡ Coherent ¡pairs ¡ Trident ¡cascade ¡pairs ¡ Incoherent ¡pairs ¡ Hadrons ¡ … ¡ In ¡strong ¡fields ¡photons ¡ can ¡turn ¡into ¡e+-­‑e-­‑ ¡pairs ¡ (coherent ¡pair ¡ producKon) ¡

• D. ¡Schulte ¡

37 ¡

• J. Esberg

MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Spent ¡Beam ¡Divergence ¡

Beam ¡parKcles ¡are ¡focused ¡by ¡

• ncoming ¡beam ¡

Photons ¡are ¡radiated ¡into ¡direcKon ¡

• f ¡beam ¡parKcles ¡

Coherent ¡pair ¡parKcles ¡can ¡be ¡ focused ¡or ¡defocused ¡by ¡the ¡beams ¡

• ­‑> ¡ExtracKon ¡hole ¡angle ¡should ¡be ¡

significantly ¡larger ¡than ¡6mradian ¡

• ­‑> ¡20mradian ¡crossing ¡angle ¡
• D. ¡Schulte ¡

38 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Inner ¡Detector ¡Layout ¡

• D. ¡Schulte ¡

39 ¡

• A. Seiler

MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Incoherent ¡Pairs ¡

• D. ¡Schulte ¡

40 ¡

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 1e+06 10 20 30 40 50 60 particle density [mm-2train-1] r [mm] Bz=3T Bz=4T Bz=5T

Simplified ¡study ¡at ¡r=30mm ¡: ¡ ~1 ¡direct ¡hit ¡per ¡mm2 ¡per ¡train ¡ (expect ¡3 ¡hits ¡per ¡parKcle) ¡

MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Vertex ¡Detector ¡Design ¡

• D. ¡Schulte ¡

41 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Have ¡to ¡avoid ¡backscaUering ¡

Barrel ¡occupancies ¡in ¡CLIC_ILD_CDR ¡vs. ¡radius ¡

• Incoherent ¡pairs ¡dominate ¡at ¡small ¡radius ¡
• γγhadrons ¡dominate ¡at ¡larger ¡radii ¡
• Good ¡agreement ¡between ¡full ¡and ¡fast ¡simulaKon ¡
• Up ¡to ¡~1.5 ¡hits ¡/ ¡mm2 ¡/ ¡bunch ¡train ¡in ¡innermost ¡vertex ¡layer ¡
• D. Dannheim
• D. ¡Schulte ¡

42 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Hadronic ¡Background ¡

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 500 1000 1500 2000 2500 3000 Probability per event E [GeV] !>0 !>0.1 !>0.2

Most ¡energy ¡is ¡in ¡forward/ backward ¡direcKon ¡

• ­‑ ¡Evis≈ ¡450GeV ¡per ¡hadronic ¡

event ¡

• ­‑ ¡Evis≈23GeV ¡for ¡θ>0.1 ¡
• ­‑ ¡Evis≈12GeV ¡for ¡θ>0.2 ¡
• ­‑ 20% ¡from ¡e+e− ¡(cannot ¡be ¡

reduced) ¡ Adds ¡about ¡20% ¡charged ¡hits ¡ in ¡the ¡inner ¡layer ¡of ¡the ¡vertex ¡ detector ¡ Can ¡be ¡used ¡to ¡monitor ¡ luminosity ¡ Only ¡events ¡used ¡with ¡

• D. ¡Schulte ¡

43 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

PandoraNewPFAs

1.4 ¡TeV ¡of ¡background ¡! ¡

1 ¡TeV ¡Z=>qqbar ¡ ¡ with ¡60 ¡BX ¡background ¡

• D. ¡Schulte ¡

44 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

LooseSelectedPandoraNewPFAs

0.3 ¡TeV ¡of ¡background ¡ ¡

• D. ¡Schulte ¡

45 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

SelectedPandoraNewPFAs

0.2 ¡TeV ¡of ¡background ¡ ¡

• D. ¡Schulte ¡

46 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

TightSelectedPandoraNewPFAs

0.1 ¡TeV ¡of ¡background ¡ ¡

• M. Thomson. J. Marshall
• D. ¡Schulte ¡

47 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Impact ¡of ¡Kming ¡cuts ¡on ¡jets ¡

Impact ¡of ¡the ¡PFOSelector ¡Kming ¡cuts ¡on ¡the ¡jet ¡energy ¡resoluKon ¡

ILD ¡

• D. ¡Schulte ¡

48 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Beam-­‑Induced ¡Background ¡Summary ¡

• Beamstrahlung ¡

– Disappear ¡in ¡the ¡beam ¡pipe ¡

• Coherent ¡pairs ¡

– Largely ¡disappear ¡in ¡beam ¡pipe ¡

• Incoherent ¡pairs ¡

– Suppressed ¡by ¡strong ¡solenoid-­‑field ¡

• Hadronic ¡events ¡

– Impact ¡reduced ¡by ¡Kme ¡stamping ¡

• Muon ¡background ¡from ¡upstream ¡linac ¡
• D. ¡Schulte ¡

49 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Further ¡Plans ¡

A^er ¡CDR ¡start ¡project ¡preparaKon ¡phase ¡(-­‑2016) ¡

• Define ¡a ¡staged ¡approach ¡to ¡CLIC ¡

– Each ¡energy ¡stage ¡jusKfied ¡by ¡physics ¡findings ¡from ¡the ¡LHC ¡ – ShooKng ¡at ¡a ¡moving ¡target ¡

• Workpackages ¡are ¡available ¡

– Need ¡to ¡adjust ¡to ¡resources ¡ – Or ¡increase ¡resources ¡ – Adjustments ¡may ¡arise ¡from ¡changing ¡staged ¡approach ¡

• Need ¡to ¡work ¡on ¡plan ¡for ¡a^er ¡2016 ¡

– A ¡number ¡of ¡workpackages ¡exist ¡but ¡not ¡spelled ¡out ¡ – CompleKon ¡is ¡needed ¡

• D. ¡Schulte ¡

50 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Conclusion ¡

• Conceptual ¡design ¡is ¡advancing ¡well ¡

– Dra^ ¡is ¡immanent ¡

• Feasibility ¡issues ¡are ¡being ¡addressed ¡

– Overall ¡very ¡good ¡progress ¡but ¡will ¡have ¡to ¡conKnue ¡a^er ¡CDR ¡

• The ¡project ¡preparaKon ¡phase ¡(-­‑2016) ¡is ¡being ¡prepared ¡

– Workplan/workpackges ¡available ¡

• Will ¡develop ¡a ¡stages ¡approach ¡

– Will ¡not ¡build ¡3TeV ¡right ¡away ¡ – Each ¡stage ¡jusKfied ¡by ¡physics ¡needs ¡ – Will ¡depend ¡on ¡LHC ¡findings ¡ – Need ¡to ¡opKmise ¡cost ¡of ¡each ¡stage ¡and ¡total ¡cost ¡

If ¡you ¡can ¡look ¡into ¡the ¡seeds ¡of ¡Kme, ¡ And ¡say ¡which ¡grain ¡will ¡grow ¡and ¡which ¡will ¡not; ¡ Speak ¡then ¡to ¡me. ¡ (Shakespeare) ¡

• D. ¡Schulte ¡

51 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Thanks ¡

• Thanks ¡for ¡your ¡paKence ¡
• Thanks ¡to ¡all ¡the ¡people ¡from ¡whom ¡I ¡stole ¡slides ¡

– Jean-­‑Pierre ¡Delahaye, ¡Lucie ¡Linssen, ¡Steffen ¡Doebert, ¡Alexej ¡Grudiev, ¡Frank ¡Tecker, ¡Walter ¡ Wuensch ¡… ¡

• D. ¡Schulte ¡

52 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Reserve ¡

• D. ¡Schulte ¡

53 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Luminosity ¡Measurement ¡Signals ¡

10 100 1000 10000 100000 1e+06 1e+07 20 40 60 80 100 particles per GeV E [GeV] coh. incoh. brems. beam

RadiaKve ¡Bhabhas ¡

• ¡high ¡counKng ¡rate ¡(O(104/bx)) ¡
• ¡but ¡not ¡visible ¡

Low ¡angle ¡Bhabhas ¡

• ¡aggressive ¡cut ¡

¡ ¡O(20Hz) ¡for ¡ϑ0=10mradian ¡

• ¡conservaKve ¡cut ¡

¡ ¡O(2Hz) ¡for ¡ϑ0=30mradian ¡

• ¡i.e. ¡7-­‑70minutes ¡for ¡1% ¡error ¡

Luminosity ¡fluctuaKon ¡10% ¡pulse-­‑to-­‑ pulse ¡

• ¡precision ¡of ¡1% ¡over ¡2s ¡

Need ¡to ¡use ¡other ¡signals ¡

• ¡e.g. ¡beamstrahlung ¡
• ¡coherent ¡pairs ¡
• D. ¡Schulte ¡

54 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

TA radius = 120 m BC2 delay loop 1 km decelerator, 5 sectors of 876 m 326 klystrons 33 MW, 2*29 µs CR2 CR1 circumferences delay loop 73.0 m CR1 146.1 m CR2 438.3 m BDS 1.87km IP TA r=120 m BC2 245 m BDS 1.87km 13.0 km CR combiner ring TA turnaround DR damping ring PDR predamping ring BC bunch compressor BDS beam delivery system IP interaction point dump BC1 245 m drive beam accelerator 2.38 GeV, 1.0 GHz time delay line e+ injector, 2.86 GeV e+ PDR 398 m e+ DR 493 m booster linac, 6.14 GeV e+ main linac e– injector, 2.86 GeV e– PDR 398 m e– DR 493 m e– main linac, 12 GHz, 80 MV/m, 4.39 km

Main Beam Generation Complex

Drive beam Main beam

Drive Beam Generation Complex

CLIC ¡– ¡layout ¡for ¡500 ¡GeV ¡

• nly one DB complex

shorter main linac

2.5 km 797 klystrons 15 MW, 2x29µs

circumferences delay loop 73.0 m CR1 292.2 m CR2 438.3 m

• D. ¡Schulte ¡

55 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Difference ¡between ¡T ¡and ¡TD ¡explained? ¡

Points ¡of ¡enhanced ¡breakdown ¡ rate ¡in ¡TD18 ¡tested ¡at ¡SLAC ¡ probably ¡idenKfied. ¡

Damping ¡waveguide ¡ Inner ¡cell ¡

Origin ¡seems ¡to ¡the ¡high ¡surface ¡current, ¡around ¡1012 ¡ A/m2 ¡Kmes ¡enhancements ¡– ¡ElectromigraKon? ¡ ¡ (M. ¡Aicheler, ¡C. ¡Antoine) ¡

• D. ¡Schulte ¡

56 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Why ¡Normal ¡ConducKng? ¡

• The ¡main ¡linac ¡acceleraKng ¡structure ¡material ¡choice ¡is ¡the ¡most ¡

fundamental ¡choice ¡for ¡a ¡linear ¡collider ¡

• SuperconducKng ¡structures ¡

– Gradient ¡is ¡limited ¡ – Allow ¡a ¡small ¡beam ¡current ¡

• Low ¡background ¡per ¡unit ¡Kme ¡(but ¡more ¡background ¡per ¡pulse) ¡
• Intra-­‑pulse ¡feedback ¡

– Requires ¡cryogenics ¡

• Normal ¡conducKng ¡structures ¡

– Allow ¡a ¡high ¡gradient ¡

• Good ¡raKo ¡energy/cost ¡

– Need ¡high ¡beam ¡current ¡

• High ¡wakefield ¡effects ¡
• High ¡background ¡per ¡unit ¡Kme ¡(but ¡less ¡background ¡per ¡pulse) ¡

– Requires ¡accuracy ¡and ¡precision ¡

• D. ¡Schulte ¡

57 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Luminosity ¡and ¡Power ¡

Normal ¡luminosity ¡formula ¡is ¡ This ¡can ¡be ¡re-­‑wriUen ¡as ¡ Luminosity ¡ enhancement ¡ usually ¡1-­‑2 ¡ Number ¡of ¡photons ¡ Beam ¡power ¡ VerKcal ¡beam ¡quality ¡

σx>>σy ¡

• D. ¡Schulte ¡

58 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Pushing ¡the ¡Bunch ¡Charge ¡

Guiding ¡quadrupoles ¡ act ¡like ¡a ¡spring ¡ Increasing ¡spring ¡ strength ¡reduces ¡

• scillaKon ¡

Put ¡in ¡as ¡many ¡strong ¡ quadrupoles ¡as ¡ reasonable ¡(O(10%) ¡of ¡ CLIC ¡main ¡linac) ¡

• D. ¡Schulte ¡

59 ¡

Comparable ¡to ¡driven ¡

• scillator ¡

Become ¡sensiKve ¡to ¡ quadrupole ¡posiKon ¡ errors ¡ Single ¡bunch ¡wakefields ¡ kick ¡the ¡tail ¡of ¡a ¡bunch ¡

MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡

Parameter ¡and ¡Structure ¡Choice ¡

PotenKal ¡structures ¡ designs ¡ RF ¡limitaKons ¡ Beam ¡physics ¡ constraints ¡ Parameter ¡set ¡ Cost ¡model ¡ Design ¡choice ¡ Physics ¡requirements ¡ Structure ¡chosen ¡to ¡ work ¡for ¡beam ¡physics ¡ Will ¡tell ¡the ¡story ¡as ¡if ¡ we ¡had ¡a ¡structure ¡ given ¡

• D. ¡Schulte ¡

60 ¡ MPI ¡München, ¡June ¡28rst ¡2011 ¡ ¡