全球直線加速器（GLC） 

計劃在全球加速器上（原稱日本直線加速器JLC）建一對直線加速器，彼此相對，如圖所示。每個直線加速器以X波段(11.424 GHz)或C波段(5.712 GHz)技術(shù)為基礎(chǔ)，專門用來加速負(fù)電子或正電子束流。每個機(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，然后在對撞區(qū)發(fā)生對撞。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)行的計劃從一開始就包括足夠長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時的運(yùn)行，不必非要降低亮度。場地園區(qū)的總長度約為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)電子束流儲存在阻尼環(huán)里以降低橫向發(fā)射度。從10 GeV來的負(fù)電子電磁簇射產(chǎn)生正電子，這些正電子與鎢錸靶對撞。簇射產(chǎn)生的正電子被收集起來，先由有大孔徑的L波段(714 MHz)直線加速器加速到180 MeV，然后儲存在級聯(lián)前級阻尼環(huán)和和阻尼環(huán)里，以降低1.98 GeV時的橫向發(fā)射度。從阻尼環(huán)引出的正負(fù)電子束流通過兩級束團(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)實長度的場地內(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)簡圖見圖2說明?；镜墓β试囱b置由一對周期永久磁鐵（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，對這些脈沖加上一個時間壓縮。這是因為加速器的結(jié)構(gòu)需要比單個速調(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)簡圖） 

來自一個SLED-II裝置的輸出功率給了6個0.9 米長的加速器結(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約33公里的園區(qū)建造一臺TeV能級的直線對撞機(jī)，相當(dāng)于西歐中心的LEP/LHC隧道的周長。

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

另一個涉及整個加速器全套裝置的關(guān)鍵設(shè)計問題是產(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)計上要考慮有關(guān)注入系統(tǒng)、整個直線加速器發(fā)射度不變、束流傳輸和最后聚焦的關(guān)鍵問題。

 整個加速器系統(tǒng)的可靠性和效率應(yīng)被視為另一個關(guān)鍵的問題，包括整個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，送給實驗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)諧時間短，故障恢復(fù)快。（注2. 效率的問題部分靠引進(jìn)兩個主直線加速器的并行隧道（加速器和速調(diào)管隧道）來解決。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)。這兩個隧道的布局是，必要時可使人從事多方面的維修和安裝工作，而在無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，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。因為電子直線加速器普遍采用S波段技術(shù)，所以在日本、亞洲、北美和歐洲有大量的專家，項目一旦啟動，其中許多人可能會選擇積極參加。

·更高的RF頻率對加速器部件的裝配、建造和運(yùn)行各個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)過處理，達(dá)到全無負(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.這意味著通過降低束流電流，GLC的能量可比設(shè)計值高25%，達(dá)到標(biāo)稱亮度的30%。因此，在工程二期，無須對硬件進(jìn)行任何修改，GLC的亮度在質(zhì)心能量為1.25 TeV時就可達(dá)到～7 ×10³³cm^-2s^-1.

GLC加速器技術(shù)開發(fā)小組由來自包括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、韓國和中國的合作者組成。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，已由NLC組發(fā)表。由于技術(shù)的相同性及日本和美國之間在高能物理研究方面有長期合作計劃的歷史背景，所以根據(jù)SLAC和KEK的所長簽署的“諒解備忘錄”，成立了“國際研究小組”（ISG）。該國際組定期開會，商定雙方共同執(zhí)行開展GLC和NLC設(shè)計所需的研究計劃，其結(jié)果是使GLC和NLC的設(shè)計提供更大的靈活性和更高的亮度。目前，兩個設(shè)計的基本參數(shù)一致，這樣執(zhí)行起來，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題上，包括束流動力學(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對撞，在GLC設(shè)計中，還確定運(yùn)行時有95個束團(tuán)，束團(tuán)的間隔為2.8 ns的參數(shù)。）隔開的192個束團(tuán)組成。選擇了對撞點(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. 因為機(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)） 。通過在每個14.1公里長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開始時可采用較低的質(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,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 ）

因為加速器結(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，亮度仍可達(dá)到～10 ×10³³。

安裝前，將對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，可實現(xiàn)全電流束流加速。所以通過減少束流電流，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，無須對硬件系統(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最后的亮度實際上比表1中給出的設(shè)計值大約高出2倍。通過提高以束流為基礎(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)計值”的2倍，仍低于TESLA的值25-28 ），可獲得更高的能量。左表說明GLC有在更高能量運(yùn)行的潛力。

據(jù)估計，GLC總的造價為4591億日圓，一期工程完工后每年的運(yùn)行費(fèi)用為233億日圓，二期完工后每年的運(yùn)行費(fèi)用為300億日圓。  

光子工廠（PF）