全球直線加速器（GLC） 

計(jì)劃在全球加速器上（原稱日本直線加速器JLC）建一對(duì)直線加速器，彼此相對(duì)，如圖所示。每個(gè)直線加速器以X波段(11.424 GHz)或C波段(5.712 GHz)技術(shù)為基礎(chǔ)，專門(mén)用來(lái)加速負(fù)電子或正電子束流。每個(gè)機(jī)器的脈沖里，負(fù)電子和正電子從單獨(dú)的專用束流源產(chǎn)生，并從注入的能量一直被加速到最后靶的能量，然后在對(duì)撞區(qū)發(fā)生對(duì)撞。然后處理束流。這一周期按100 ～150 Hz的重復(fù)率進(jìn)行重復(fù)。 （左圖為全球直線加速器1 TeV配置簡(jiǎn)圖 ）

GLC的初始運(yùn)行（一期）目標(biāo)是質(zhì)心能量(E CM )最高達(dá)到500 GeV.主直線加速器適當(dāng)延伸后，不用在主要技術(shù)上進(jìn)行任何改進(jìn)（二期），質(zhì)心能量就可提高到～1 TeV。為此，現(xiàn)行的計(jì)劃從一開(kāi)始就包括足夠長(zhǎng)的主直線加速器隧道，里面可放兩套500 GeV的直線加速器。這樣，不用再移動(dòng)注入器整套裝置，就可將能量提高。另外，沿主直線加速器提供分路束流線，在50,120個(gè)點(diǎn)和250 GeV將束流引出。這可支持在質(zhì)心能量～100 GeV 和240 GeV時(shí)的運(yùn)行，不必非要降低亮度。場(chǎng)地園區(qū)的總長(zhǎng)度約為33公里。

負(fù)電子源產(chǎn)生極化或非極化負(fù)電子，這些負(fù)電子被S波段(2.856 GHz)直線加速器加速到1.98 GeV。然后負(fù)電子束流儲(chǔ)存在阻尼環(huán)里以降低橫向發(fā)射度。從10 GeV來(lái)的負(fù)電子電磁簇射產(chǎn)生正電子，這些正電子與鎢錸靶對(duì)撞。簇射產(chǎn)生的正電子被收集起來(lái)，先由有大孔徑的L波段(714 MHz)直線加速器加速到180 MeV，然后儲(chǔ)存在級(jí)聯(lián)前級(jí)阻尼環(huán)和和阻尼環(huán)里，以降低1.98 GeV時(shí)的橫向發(fā)射度。從阻尼環(huán)引出的正負(fù)電子束流通過(guò)兩級(jí)束團(tuán)壓縮束流線，包括6.25 GeV的S波段直線加速器。在那里，束團(tuán)的長(zhǎng)度被降低到110 μm，束流的能量升到8 GeV, 然后束流注入到主直線加速器。這兩個(gè)主直線加速器的關(guān)鍵任務(wù)是以穩(wěn)定的方式將加速梯度保持的越高越好，這樣就可在具有現(xiàn)實(shí)長(zhǎng)度的場(chǎng)地內(nèi)將束流加速到所需的能量。GLC的主直線加速器以高頻高技術(shù)為基礎(chǔ)，加速器結(jié)構(gòu)在室溫情況下運(yùn)行。  

X波段主直線加速器高頻系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2說(shuō)明。基本的功率源裝置由一對(duì)周期永久磁鐵（PPM）聚焦速調(diào)管組成。每根速調(diào)管的高頻脈沖寬度為1.6 μs，功率為75 MW。然后，對(duì)這些脈沖加上一個(gè)時(shí)間壓縮。這是因?yàn)榧铀倨鞯慕Y(jié)構(gòu)需要比單個(gè)速調(diào)管能提供的功率大一些寬度小一些的高頻脈沖，以產(chǎn)生所需要的加速梯度。為達(dá)到這一目的，一對(duì)速調(diào)管產(chǎn)生的脈沖被放在一起，然后帶入雙模式SLED-II脈沖壓縮系統(tǒng)。該壓縮系統(tǒng)將輸入的高頻脈沖壓縮，時(shí)間壓縮率為1/4，功率增益為3.3. 波導(dǎo)功率損耗10%，導(dǎo)致產(chǎn)生450 MW,400 ns的時(shí)間壓縮脈沖，這些脈沖被傳送到加速器結(jié)構(gòu)入口處。 （左圖為  GLC主直線加速器的高頻系統(tǒng)簡(jiǎn)圖） 

來(lái)自一個(gè)SLED-II裝置的輸出功率給了6個(gè)0.9 米長(zhǎng)的加速器結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致產(chǎn)生負(fù)載加速梯度49.8 MV/m（無(wú)負(fù)載梯度為65 MV/m）或利用行波加速結(jié)構(gòu)（注1. 在C波段情況下，負(fù)載梯度為31.1 MV/m，無(wú)負(fù)載梯度為41.8 MV/m. ）產(chǎn)生更高的負(fù)載加速梯度。這要與以S波段高頻技術(shù)（2.856 GHz）為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)電子直線加速器相比，它們典型地具有～16 MV/m的加速梯度，或最高約為～30 MV/m的加速梯度。因此，采用這一X波段方案可在直線長(zhǎng)約33公里的園區(qū)建造一臺(tái)TeV能級(jí)的直線對(duì)撞機(jī)，相當(dāng)于西歐中心的LEP/LHC隧道的周長(zhǎng)。

GLC的基線配置里有一個(gè)對(duì)撞區(qū)。GLC的兩個(gè)主直線加速器要共線建造時(shí)，束流準(zhǔn)直和最后聚焦段的布局將在束流對(duì)撞點(diǎn)引入一個(gè)7 mrad交叉角。作為一種選擇，增加費(fèi)用后，可再另建一個(gè)對(duì)撞區(qū)。這種情況下，將建兩個(gè)最后聚焦段的隧道，支持最佳聚焦和處理兩個(gè)對(duì)撞區(qū)的束流。

另一個(gè)涉及整個(gè)加速器全套裝置的關(guān)鍵設(shè)計(jì)問(wèn)題是產(chǎn)生盡可能高約為25 ×10³³cm^-2s^–1 或更高的亮度。這就導(dǎo)致在設(shè)計(jì)上要考慮有關(guān)注入系統(tǒng)、整個(gè)直線加速器發(fā)射度不變、束流傳輸和最后聚焦的關(guān)鍵問(wèn)題。

 整個(gè)加速器系統(tǒng)的可靠性和效率應(yīng)被視為另一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題，包括整個(gè)高頻功率和能量性能，以及GLC的亮度性能。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，送給實(shí)驗(yàn)的高集成亮度既需要出色的可靠性，又要有高的峰值亮度，調(diào)諧時(shí)間短，故障恢復(fù)快。（注2. 效率的問(wèn)題部分靠引進(jìn)兩個(gè)主直線加速器的并行隧道（加速器和速調(diào)管隧道）來(lái)解決。加速器隧道里放加速器結(jié)構(gòu)和其他束流線部件，正負(fù)電子束流將通過(guò)這些部件。速調(diào)管隧道里安放RF功率源、電源和其他許多控制電子學(xué)。這兩個(gè)隧道的布局是，必要時(shí)可使人從事多方面的維修和安裝工作，而在無(wú)人的加速器隧道里束流操作繼續(xù)進(jìn)行） 

 關(guān)于主直線加速器室溫高頻技術(shù)的選擇，需要注意以下幾點(diǎn)：

·RF頻率更高時(shí)，X波段（和C波段）技術(shù)被認(rèn)為是從已確立的普遍采用S波段技術(shù)的合理推斷，但仍允許更高的加速梯度。因?yàn)殡娮又本€加速器普遍采用S波段技術(shù)，所以在日本、亞洲、北美和歐洲有大量的專家，項(xiàng)目一旦啟動(dòng)，其中許多人可能會(huì)選擇積極參加。

·更高的RF頻率對(duì)加速器部件的裝配、建造和運(yùn)行各個(gè)方面的誤差要求更為嚴(yán)格。但是，這些誤差或是已經(jīng)進(jìn)行了測(cè)試，或是從已獲得的東西中進(jìn)行了小小的推斷。

·X波段直線加速器的行波加速器結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)處理，達(dá)到全無(wú)負(fù)載梯度65 MV/m, 而在標(biāo)準(zhǔn)情況下，帶全電流的負(fù)載梯度為49.8 MV/m.這意味著通過(guò)降低束流電流，GLC的能量可比設(shè)計(jì)值高25%，達(dá)到標(biāo)稱亮度的30%。因此，在工程二期，無(wú)須對(duì)硬件進(jìn)行任何修改，GLC的亮度在質(zhì)心能量為1.25 TeV時(shí)就可達(dá)到～7 ×10³³cm^-2s^-1.

GLC加速器技術(shù)開(kāi)發(fā)小組由來(lái)自包括KEK的日本研究機(jī)構(gòu)的許多物理學(xué)家和工程師以及俄羅斯、韓國(guó)和中國(guó)的合作者組成。還應(yīng)指出，以X波段技術(shù)為基礎(chǔ)的直線加速器的非常類似的設(shè)計(jì)，已由NLC組發(fā)表。由于技術(shù)的相同性及日本和美國(guó)之間在高能物理研究方面有長(zhǎng)期合作計(jì)劃的歷史背景，所以根據(jù)SLAC和KEK的所長(zhǎng)簽署的“諒解備忘錄”，成立了“國(guó)際研究小組”（ISG）。該國(guó)際組定期開(kāi)會(huì)，商定雙方共同執(zhí)行開(kāi)展GLC和NLC設(shè)計(jì)所需的研究計(jì)劃，其結(jié)果是使GLC和NLC的設(shè)計(jì)提供更大的靈活性和更高的亮度。目前，兩個(gè)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)一致，這樣執(zhí)行起來(lái)，多數(shù)是相同的或非常相似，主直線加速器硬件區(qū)尤為如此。兩組之間在加速器的許多問(wèn)題上，包括束流動(dòng)力學(xué)、注入系統(tǒng)主直線加速器硬件、束流發(fā)送、最后聚焦和通用設(shè)施方面有合作計(jì)劃。

左表列出了以X波段主直線加速器為基礎(chǔ)的GLC的主要參數(shù)。束流由1.4 ns（注3.如果選擇g-g對(duì)撞，在GLC設(shè)計(jì)中，還確定運(yùn)行時(shí)有95個(gè)束團(tuán)，束團(tuán)的間隔為2.8 ns的參數(shù)。）隔開(kāi)的192個(gè)束團(tuán)組成。選擇了對(duì)撞點(diǎn)處的束流參數(shù)，以使總的亮度不受接近質(zhì)心能量的亮度小數(shù)部分和因韌致輻射引起的探測(cè)器本底的影響。

在初始階段（一期），運(yùn)行中，E_CM  假定為500 GeV，亮度為2 .5 ×10³⁴cm^-2s^–1，重復(fù)率為150 Hz（注4. 因?yàn)闄C(jī)器的重復(fù)與AC電源同步，所以如果GLC建在日本東部地區(qū)，這被認(rèn)為是自然的選擇。若建在西部地區(qū)，重復(fù)率將是60 Hz的倍數(shù)） 。通過(guò)在每個(gè)14.1公里長(zhǎng)的直線加速器一半的隧道里安裝上直線加速器高頻系統(tǒng)就可達(dá)到這一目標(biāo)。當(dāng)然，為滿足物理學(xué)家的興趣，GLC開(kāi)始時(shí)可采用較低的質(zhì)心能量。第二階段（二期），把另外所有的高頻系統(tǒng)全部安裝上，使質(zhì)心能量等于1 TeV。重復(fù)率為100 Hz時(shí),亮度達(dá)到2 .5 ×10³⁴cm^-2s^–1。（右圖為  GLC 1TeV配置的預(yù)期能量與亮度圖 ）

因?yàn)榧铀倨鹘Y(jié)構(gòu)具有能夠?qū)⒓铀偬荻茸罡弑３衷凇?5 MV/m，所以如果束流電流適度減少，GLC的質(zhì)心能量為～1.2 TeV時(shí)，亮度仍可達(dá)到～10 ×10³³。

安裝前，將對(duì)X波段主直線加速器的1 TeV行波加速結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，使全無(wú)負(fù)載梯度達(dá)到～70 MV/m, 而在正常運(yùn)行條件下，負(fù)載梯度為49.8MV/m時(shí)，可實(shí)現(xiàn)全電流束流加速。所以通過(guò)減少束流電流，GLC可在高于標(biāo)稱能量25%的能量運(yùn)行，亮度是標(biāo)稱亮度的30%。因此，在工程二期，無(wú)須對(duì)硬件系統(tǒng)做任何修改，GLC的亮度即可達(dá)～7 ×10³³cm^-2s^–1，質(zhì)心能量為1.25 TeV。要指出的是，GLC最后的亮度實(shí)際上比表1中給出的設(shè)計(jì)值大約高出2倍。通過(guò)提高以束流為基礎(chǔ)的準(zhǔn)直技術(shù)和把破壞參數(shù)D y提高到～20（注5. 這大約是“設(shè)計(jì)值”的2倍，仍低于TESLA的值25-28 ），可獲得更高的能量。左表說(shuō)明GLC有在更高能量運(yùn)行的潛力。

據(jù)估計(jì)，GLC總的造價(jià)為4591億日?qǐng)A，一期工程完工后每年的運(yùn)行費(fèi)用為233億日?qǐng)A，二期完工后每年的運(yùn)行費(fèi)用為300億日?qǐng)A。  

光子工廠（PF）