LHC Panorama dello starting-up W. Scandale CERN INFN gruppo I Frascati, 12 novembre 2003.

LHC

Panorama dello starting-up

W. Scandale

CERN

INFN gruppo I

Frascati, 12 novembre 2003

W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-2003 2

Indice

• Parametri e struttura di LHC

• Dipoli

• Vuoto

• Collimazione

• Estrazione e dump dei fasci

• Scenari di running-in


• “The LHC is a global project with the world-wide high-energy physics community devoted to its progress and results”

• “As a project, it is much more complex and diversified than the SPS or LEP or any other large accelerator project constructed to date”

Che cosa è LHC?

Opinione espressa nel marzo 2002 da Maury Tigner, Chairman del LHC Machine Advisory Committee


Date salienti

May 1983 to Nov 1994: various design studies Dec 1994: Official approval by CERN Council Sep 1996: First contracts (50000 t of steel, civil

engineering supervision, 8 test benches) by Financial Committee

Dec 1999: Final LHC configuration approval Nov 2000: Start LEP dismounting Nov 2001:Contracts for the main magnets (dipoles

and quadrupoles) Nov 2003: Start cryo-line installation Nov 2004: Start cryo-magnet installation Mar 2006: Test of the octant 7-8 (may be injection of

the counter-rotating beam through Pit 8) Nov 2006: End of dipole and quadrupole production Apr 2007: Start of LHC commissioning


Parametri principali di LHC

Collision energy per beam (TeV) 7.0

Dipole peak field (T) 8.3

Luminosity (cm-2 s-1) 1034

Injection energy (TeV) 0.45

Circulating current per beam (A) 0.56

Number of bunches 2808

Particles per bunch1.1x1011

Stored beam energy per beam(MJ) 350

Beam size at IP (m) 15.9

Beta values at IP (m) 0.55

Normalised emittance ( µm) 3.75

Crossing angle (µrad) 250

Beam lifetime (h) 22

Luminosity lifetime (h) 10

Radiated power per beam (kW) 3.7


Struttura dell’acceleratore

C = 26658.90 m

Arc = 2452.23 m

DS = 2 x 170 m

INS = 2 x 269 m

Free space

for detectors: 23 m


1232 MB containing 1232 Main Dipoles + 3700 Spool Pieces

392 SSS containing 392 Main Quadupoles + 2500 Correctors

Standard Arc layout

Struttura dell’arco regolare


6 bus bars (13 kA) for MB, QD and QF

20 bus bars (600 A) for spool pieces (to compensate dipole field errors)

42 bus bars Sc (600 A)for correction magnets in the SSS (chromaticity’, tune, etc...) + 12 bus bars (6 kA) for special quadrupoles

Protection diodsRequired interconnections:

• Beam pipes• He pipes• Cryostat• Thermal screen• Vacuum pipes• Superconducting cables

Interconnessioni fra magneti


Il CERN è responsabile di

•Concezione e disegno

•Procedura di assemblaggio

•Qualità del campo magnetico

•Fornitura dei componenti, compresi i cavi superconduttori

Dipoli

Dipoles in the final assembly phase


Il cavo SC in condizioni “short sample”ha un campo critico di B = 9.7 T.

Al campo nominale, B = 8.3 T, il margine è del 15 %. Alla temperatura di operazione, t = 1.9 K, i materiali

hanno una capacità termica prossima a zero.

Pertanto occorre assicurarsi che: Ogni parte fredda sia costantemente immersa in un bagno di

He II. I conduttori SC sia meccanicamente stabili (non debbono

esservi movimenti delle bobine per evitare rilascio di energia per attrito).

La radiazione sia ridotta (per evitare deposito di energia di radiazione e quindi surriscaldamento).

Caratteristiche del Dipolo


Bobine collarate

Controllo della qualità di campo: esempio della componente sestupolare


La pressa di saldatura

• Concepita e sviluppata al CERN• Istallata nelle fabbriche• Due saldature sincronizzate in 8

ore• Procedimento STT: alta qualita e

controllo sofisticato, • È una PRIMA mondiale per

acciaio austenitico• Qualche problema di porosità delle

saldature (grossi migliormenti grazie ad una task force attiva dal novembre 2002)

• Serve ancora un po’ di tempo per miglorare la precedura e per evitare riprese di saldatura

• Ogni dipolo è testato a 26 bar


Forma del dipolo dopo la saldatura

Horizontal deviations from the curvilinear referential(with 9.1 mm sagitta)


“Training” dei dipoli fino a B = 8.3 T

MB1005 (cold weld problem)

Histogram of the number of quenches to reach 8.33 Tesla for the first 64 LHC preseries dipoles

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

0 1 2 3 4 5 6 7 not reached

Number of quenches to reach 8.33T

Number of magnets

01 02 03


“Training” dei dipoli fino a B = 9.0 T

Bonus di produzione

Histogram of the number of quenches to reach 9 Tesla for the first 64 LHC preseries dipoles

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

0 1 2 3 4 5 6 7 not reachedNumber of quenches to reach 9T

Number of magnets

01 02 03


Memoria dopo un ciclo termico

Comportamento ideale

Histogram of the number of quenches to reach 8.33 Tesla for the first 64 preseries dipoles, recorded after the last thermal cycle on test benches

02468

1012141618202224262830

0 1 2 3 4 5 no TCperformed

rejected

Number of quenches to reach 8.33T

Number of magnets

01 02 03


Dipoli già consegnati al CERN

Masse fredde in ritardo di circa 3 mesi


Dipoli già criostatati al CERN


Vuoto

•Nel tubo freddo (1.9 K) c’è uno schermo di fascio (20 K) che intercetta la luce di sincrotrone (3.8 kW per fascio, essenzialmente fatta di fotoni U.V.) per ridurre la potenza criogenica.

•I fori dello schermo agiscono come crio-pompe.

•I fori hanno una distribuzione random per evitare instabilità di fascio indotte da perdite di potenza em.

•Lo schermo è di acciaio per ridurre possibili deformazioni durante i quenches, ed è placcato in rame nella parete interna per ridurre la soglia di instabilità di parete resistiva.

•Lo schermo è raffreddato da due tubi saldati in alto ed in basso.


Vuoto

L’ instabilità indotta dalla nuvola di elletroni è già stata osservata nel SPS.

•Essa produce un forte sovraccarico termico sul sistema criogenico.

• Si cura riducendo il numero di bunches e condizionando lo schermo (scrubbing).

I fotoni incidenti sulle pareti dello schermo desorbono molecole di gas:•La pressione residua aumenta •Sono prodotti foto-elettroni.

I foto-electtoni sono accelerati dal forte campo elettrico positivo dei bunch di protoni e si accumulano in cascata in una nuvola di elettroni.


Vuoto


Collimazione dei fasci


Effetto di un collimatore ideale (due stadi)

Alone residuo Apertura resudua

Problemi aperti:•Scelta del materiale (Z grande => deposito termico eccessivo)•Impedenza resistiva (fino a 100 volte l’intero LHC)•Nuvola di elettroni (eccesso di concentrazione locale)


Luminosità e densità di energia trasversa

Soluzione a stadi di sofisticazione crescente:•Occorre imparare come ottenere un’efficienza del 99.91 %•Luminosità iniziale ridotta (fattore 3 ?)


Sistema di dump del fascio


Sistema di diluizione del fascio estratto


Il punto sui sistemi hardware

La costruzione dei sistemi harware LHC è in pieno svolgimento: L’attenzione è concentrata sulla produzione industriale In alcuni casi la produzione non ha raggiunto la velocità di

crociera ( però ci sono i presupposti industriali per raggiungerla - personale ed infrastrutture nelle ditte ).

Le procedure di QA (Quality Assurance) sono ben definite, occorre essere vigilanti nell’imporle all’industria.

Le tecnologie a rischio impongono continui ed approfonditi test di funzionalità e riaggiustamenti dei parametri.

Il test a freddo dei magneti va reso più spedito (fattore 4 ?): per un ristretto numero di magneti (forse 300 ) potrebbe essere necessario eseguire un programma ridotto di verifiche essenziali (test di integrità elettrica, test di vuoto, training).


Performances limitationsPerformances limitations

Luminosity:

L =

event rate

cross section ∑

=

1

∑

N 1 N 2 k f

∑

S

2

for equal, round, bi-Gaussian beams: N 1 N 2 = N

S --> 4π σ2

ε * =

σ γ

2

β *

∗ = L

N k f γ

2

4π ε β

∗

protons

in a bunch

. no of bunches

revolution frequency

beam cross section

invariant emittance

- - :Head on beam beam

detuningξ =

r p N

4 π ε ∗

ξ ∗ . ≤ 0.02nb of interactions

*ε

= L

γ

4πβ

N N

*∆t

:Transverse beam density

• - -head on beam beam

• - space charge in the injectors

• transfers dilution

:Beam current

• -long range beam beam

• collective instability

• synchrotron radiation

• stored beam energy


Possibili limitazioni dei parametri nominali

Kickers di diluizione 8/20•Intensità totale ≤ 50 % del valore nominale (L ≤ 0.5·1034)

Nuvola di elettroni•∆t = 25 ns => Nb ≤ 35 % del valore nominale (L ≤ 1.2·1033)•∆t = 75 ns => Nb= valore nominale (L ≤ 3.3·1033)

Collimazione da ottimizzare•Nb ≤ 35 % del valore nominale (L ≤ 1.2·1033)

Per perdite istantanee di fascio:•Limite di quench I ≤ 5·109

•Limite di danneggiamento I ≤ 2·1012


Preparazione dei fasciSul pianerottolo di iniezione, un solo bunch pilota (Nb = 3·109 )•Chiudere l’orbita•Aggiustare le frequenze di betatrone (Q)•Aggiustare la cattura e la regolazione RF•Aggiustare la cromaticità (Q’)•Minimizzare l’accoppiamento lineare•Minimizzare la dispersione•Correggere gli effetti non lineari•Valutare l’apertura meccanica•Valutare l’apertura dinamica

•Orbita rms ≤ 250 µm•Orbita nei collimatori ≤ 50 µm•Dispersione relativa di energia ≤10-4

•Spread di Q ≤ 0.003•Q’ = 12 unità•Accoppiamento lineare ≤ 0.005•Regolazione dei feedback

Ottimizzazionedi complessitàcrescente


Preparazione dei fasci

Regolazione della rampa•Snapback•Feedbacks•Feed-forward•Beam dump tracking

Regolazione del pianerottolo a 7 TeV•Riproducibilità del ciclo•Allineamento dell tripletto•Regolazione di D1/D2•C β squeezing•Usare k = 43

•Incrocio head-on (=0)•Assenza di interazioni parassite•Assenza di nuvola di elettroni

Preparazione delle collisioni


Possibili steps del running-inE = 6 TeV •Aumenta il margine termico prima del quench (fattore 2)

k = 43 (o forse 86), bunches equispaziati •Test approfondito dell’acceleratore•Fisica in modo pasassitico L = 2·1026 fino a 1.2·1031 cm-2s-1

k = 936, bunches in treni nominali •Operazione multi-bunch•Verso β-sqeezing ed angolo d’incrocio nominali•Operazione di scrubbing•Verso ib nominale•Fisica in modo pasassitico L = 5·1032 fino a 2.5·1033 cm-2s-1 (pile-up > 10)

k = 2808, bunches in treni nominali •Completamento run di scrubbing•Fisica in condizioni nominali L = 2.5·1033 fino a 1·1034 cm-2s-1 (ed oltre…)


Preparazione dei fasci

Scenario per le collisioni•Solenoidi accesi ed orbita chiusa ottimizzata•Collisioni frontali di 43 contro 43 bunches ad alta intensità•Offset di 75 ns necessario per avere collisioni per LHCb

Scenario 1:•k = 43 β* = 1.0 m, Nb = 0.9 1011

•L = 6·1031 cm-2s-1 / ev. per xing ~ 6

Prime collisioni

Scenario2:•k = 43 β* = 0.55 m, Nb = 0.9 1011

•L = 1.2·1032 cm-2s-1 / ev. per xing ~ 14

Tests per l’acceleratore:•Ottimizzazione β-sqeezing•Test incroci ad angolo•Effetti errori tripletti (β0


Molti bunches spaziati di 75 ns

Motivazioni:•Assenza di nuvola di elettroni•Angolo di incrocio ridotto ( ≤ 250 mrad)

Scenario 1:•k = 936 β* = 1.0 m, Nb = 0.5 1011, ≤ 250 mrad•L = 5·1032 cm-2s-1 / ev. per xing ~ 2

Scenario2:•k = 936 β* = 0.55 m, Nb = 0.9 1011 , ≤ 250 mrad•L = 1.2·1033 cm-2s-1 / ev. per xing ~ 6

Possibili sviluppi:•Ottimizzazione β-sqeezing nominale (β0 m)•Test incroci ad angolo nominale ( = 250 mrad)•L = 2.5·1032 cm-2s-1 / ev. per xing ~ 13

}

Cam

bia

men

to d

ovu

toall

’in

trod

uzi

on

e d

el

beam

sc

reen

nei

trip

lett

i


Bunches nominali spaziati di 25 ns

Motivazioni:•Studio della nuvola di elettroni•Scrubbing run (per ridurre la densità della nuvola di elettroni)Scenario 1:

•k = 2808 β* = 0.55 m, Nb = 0.4 1011, = 285 mrad•L = 1.2·1033 cm-2s-1 / ev. per xing ~ 2

Scenario2:•k = 936 β* = 0.55 m, Nb = 1.1 1011 , = 285 mrad•L = 1.0·1034 cm-2s-1 / ev. per xing ~ 20

Nb può aumentare verso il valore nominale al progredire della pulizia dello schermo di fascio mediante scrubbing


Conclusion

Nel 2007, LHC sarà pronto a produrre collision (a bassa luminosità) probabilmente a 12 TeV di energia nel centro di massa.

Nel 2008, dovrebbe essere possibile iniziare l’operazione con collisioni piombo-piombo.

Ulteriormente l’energia e la luminosità aumenteranno via via che si padroneggeranno i sistemi e le tecnologie più spinte •funzionamento dei magneti, •controllo dell’alone, •Controllo della nuvola di elettroni•controllo del fascio estratto, •controllo dell’ottica dell’acceleratore,•controllo dell’operazione multibunch ad alta intensità, •controllo dell’interazione fascio rivelatori sperimentali•etc…Un’impresa esaltante per tutta la comunità delle alte energie.

Date post:	03-May-2015
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