ein Vortrag von Jan Sammet betreut von Arnd Meyer

HadronHadron--KolliderKollider--ExperimenteExperimentebei sehr hohen Energienbei sehr hohen Energien

LHCLHC--BeschleunigerBeschleuniger

ein Vortrag von Jan Sammetein Vortrag von Jan Sammetbetreut von Arnd Meyerbetreut von Arnd Meyer

Herzlich Willkommen

Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -1-


Inhalt1) Einleitung

1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)?1.2) Übersicht über den Aufbau1.3) Luminösität und Tuning

3) Vorbeschleuniger3.1) Protonenquelle und RFQ3.2) Linearbeschleuniger Linac23.3) Proton Synchrotron Booster3.4) Proton Synchrotron3.5) Super Proton Synchrotron

4) Der LHC-Ring4.1) Beschleunigung und Kavitäten4.2) Strahlführung und –fokussierung4.3) Das Kühlsystem4.4) Energie!4.5) Realisierung und Entwicklungsstand

5) Zusammenfassung


Inhalt1) Einleitung




5) Zusammenfassung


Was ist der LHC?• Hadronen-Collider (2 Röhren) am Cern

• Proton mit 14 TeV Schwerpunktsenergie

• Blei-Ionen mit 1150 TeVSchwerpunktsenergie

• gespeicherte Strahlenergie: 350 MJ

• 1011 x 2808 Protonen pro Strahl

• 26,6 km Umfang

• über 8000 supraleitende Magnete

• Dipolfelder bis zu 8.33 T

• 4 Experimente

• Luminosität (200 mal Tevatron)

• Strahlgröße: 300 µm im Ring16 µm am Interacting Point

1234 scm10 −−


Inhalt1) Einleitung




5) Zusammenfassung


Übersicht über den Aufbau

Weg der Protonen:

1) Protonenquelle + RFQ

2) LINAC2 3) PSB

4) PS 5) SPS 6) LHC

750 keV

1,4 GeV25 GeV

50 MeV

14 TeV

450 GeV


Inhalt1) Einleitung




5) Zusammenfassung

Nb = Anzahl der Pakete pro Ring

Ib = Intensität pro Paket

εn = normierte Emittanz

B = Ib/εn = Helligkeit des Strahls

• interessante Prozesse sind selten

• die Ereignisrate dN/dt sollte möglichst groß sein

• wegen dN/dt = L σ ist die Luminosität Ldie relevante Größe eines Beschleunigers


Luminosität

n

bb

yxbrev

INIINfe

Lεσσπ

2

**21

241

∝=

gewünscht sind:

• viele Pakete• hohe Intensität• kleine Emittanz

Beispiel Higgs am LHC:

• erwachteter WQ ~ pb = 10-36 cm2

• L = 1034 cm-2 s-1 ⇒ dN/dt = 0,01 s-1

⇒ ca. 36 / Stunde

• E(s) = Einhüllende der Teilchenbahnen =


Tuning

)(sεβ

• Q := Anzahl der Umläufe bis Teilchen wieder an der gleichen Stelle im Phasenraum ist

• ganzzahlige Q (bzw. für Quadro- und SextupoleQ = n + 1/2 und Q = n + 1/3) müssen vermiedenwerden sonst ablenkende Resonanz


Inhalt1) Einleitung




5) Zusammenfassung


Inhalt1) Einleitung




5) Zusammenfassung


Protonenquelle

1 zu 1 Modell der

Quelle

Proton Output


Protonenquelle

Aufbau der Duoplasmotron Protonenquelle:

02


RFQ (Radio Frequency Quadrupole)

• beschleunigt undfokussiert mittelselektrischer Felder

• beschleunigt Protonenauf 750 keV

• Bunching

• 1,75 m lang

• RF = 200 MHz


Übersicht

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1) Einleitung1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)?1.2) Übersicht über den Aufbau1.3) Luminösität und Tuning



5) Zusammenfassung


Linac 2

• beschleunigt von 750 keVauf 50 MeV

• Beschleunigung durch elektrisches Feld

• Fokussierung mittels Quadropolmagneten

• Länge: 30 m

• RF = 200 MHz


Übersicht

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5) Zusammenfassung


PS Booster

• Synchrotron-Beschleuniger( Fokussier- & Ablenkmagnete)

• beschleunigt von 50 MeV auf 1,4 GeV

• 4 übereinander liegende Strahlrohre

• Beschleunigungsdauer: 1,2 Sekunden

• LHC-Emittanz wird hier definiert

• die Helligkeit des Strahls (Ib/ εn) musste auf das 1,6-fache gesteigertwerden starke Raumladung

Strahl wird defokussiert


Raumladung (1/2)

• auf zwei bewegte Protonen wirkenzwei Kräfte:

• Abstoßung durch Coulomb-Wechselwirkung

• Anziehung durch Magnetfeld,induziert durch parallele Ströme

• Abstoßung überwiegt, aber nimmt mit Geschwindigkeit ab

⇒ Raumladung, verursacht besonders beiniedrigeren Energien Schwierigkeiten

2

1βγ

∝F


Raumladung (2/2)

Problem:

• Schwankung ΔQ der Umlaufsanzahl Q

• Verschmierung des „Tune-Punktes“

• ΔQ wird zu groß Protonenverlust

Lösung:

• befüllen des PS mit zwei Füllungen des Boosters

• dies erlaubt Halbierung der Strahlhelligkeit Ib/εn

Halbierung des Raumladungs-Effekts

⇒ umfassende Hardware-Upgrades für den Booster

2

1βγε n

bIQ −∝Δ


Übersicht1) Einleitung




5) Zusammenfassung

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Das PS

• Proton-Synchrotron

• kombinierte Fokussier- & Ablenkmagnete

• beschleunigt von 1,4 GeV auf 25 GeV

• Beschleunigungsdauer: 3,6 Sekunden

• Befüllung aus PSB in 2 Schritten(4 Pakete + 2 Pakete 1,2 s später)

• erzeugt aus 6 Paketen 72 Stück mitjeweils 25 ns Abstand

• verkürzt Paketlänge auf 4ns

• die harmonische Zahl verknüpft die beschleunigende Frequenz fRFund die Umlauffrequenz fUmlauf des Strahls

fRF = fUmlauf• pro Umlauf erfährt nur eine Stelle des Strahls volle Beschleunigung• es bildet sich genau ein Paket das beschleunigt wird• alle anderen Teilchen werden nicht richtig beschleunigt

fRF = h ⋅fUmlauf• pro Umlaufe erfahren h Stellen des Strahls die volle Beschleunigung• es bilden sich h Pakete

• die ganze Zahl h wird harmonische Zahl genannt

↑ entscheidend für die Verkürzung der Pakete im PS


Die harmonische Zahl

t = 0

fRF = 2 ⋅ fUmlauf

E

t = ¼ T

t = ¾ T

t = ½ T


Erzeugung der 72 Pakete72 Pakete

je 12 ns lang ErhErhööhung der Spannunghung der Spannung72 Pakete

je 4 ns lang

HardwareUpgrades!


Kicker Magnete

• erzeugen sehr kurze, starke Felder

• wichtig: extrem kurze Flanken

• möglicht ebenes Plateau, sonstwird gesamter Strahl gestört


Übersicht1) Einleitung




5) Zusammenfassung

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Der SPS

• war zunächst Fixed Target Beschleuniger, dannCollider und heute LHC-Vorbeschleuniger

• Umfang: 6911,55 m (größer als Tevatron (6283 m)aber mit konventionellen Magnete)

• max. B-Feld: 2 T (Tevatron: 4,4 T)

• 744 Dipole, 216 Quadropole + Korrekturen

• beschleunigt von 26 auf 450 GeV

• ändert Paketstruktur nicht

• erhält die (normierte) Emittanz des PS


SPS füllen & entleeren

• SPS nimmt max. 288 Pakete auf

• 12 SPS ergeben eine LHC-Füllungen

• 4 PS ergeben eine SPS-Füllungen

• LHC-Betrieb sehr hohe Stromdichten im SPS


SPS Probleme & Upgrades

hohe Intensität der LHC-Strahlen

Kavität: 350 kW 750 kW

Strahl wird schneller instabil

⇓

• Austausch & Erneuerung vieler Komponenten

• optimiertes Tuning

• umfassende Umbaumaßnahmen

• Reduktion der Impedanz

Optimierung des Tunings


Elektronenwolken im SPS• treffen Teilchen die Rohrwand, werden dort „lose“ Teilchen heraus geschlagen

• Effekt verstärkt sich selbst Strahl wird instabil

• Effekt behebt sich mit der Zeit von selbst (wird schwächer)

• „Schrubb-Läufe“ gehören fest zum SPS-Betrieb

• dennoch sind die verbleibende Wolken ein limitierender Faktor für den SPS


Transferlinien zum LHC• zwei Transferlinien (TI 2 und TI 8)

vom SPS zum LHC

• Gesamtlänge: etwa 5,6 km

• rund 700 Magnete verbaut

• TI 2 wird erst 2007 in Betriebgenommen


TI 8


Inhalt1) Einleitung




5) Zusammenfassung


Inhalt1) Einleitung




5) Zusammenfassung


LHC Kavitäten

• Beschleunigung erfolgt durch Kavität

• im Prinzip wie Linac

• Energieübertrag durch stehende, elektromagnetische Welle (Protonen „surfen“)

• anregende Frequenz und Kavität werden so abgestimmt,dass es zu Resonanz kommt zusätzliche Verstärkungder Welle

• LHC Kavität ist supraleitend

• Energiezuwachs pro Umlauf: 485 keV


LHC Kavitäten

Vorbereitung eines Kavitätsmoduls im Reinraum


LHC Kavitäten

Einsetzten der Kavitäten ins Modul


LHC Kavitäten

Modul mitvier Kavitäten


LHC Kavitäten


Inhalt1) Einleitung




5) Zusammenfassung


Übersicht

Strahlführung Dipolmagnete Fokussierung Quadrupolmagnete

• insgesamt über 8000 supraleitende Magnete• 2000 Haupt-Di- und Quadrupolmagnete• 6000 Korrekturmagnete (z.T. auf den Hauptmagneten)• 18 km Dipole• 4,5 km Quadrupole• insgesamt über 23 km supraleitende Magnete (LHC-Umfang = 26,6 km)


Dipolmagnete

Querschnitt einesidealen Dipols Dipolnäherung

bauliche Näherungsmethoden


Gesamtansicht eins LHC-Dipols

Querschnitt eins LHC-Dipols

LHC-Dipolmagnete


Aufbau eines LHC-Dipols

Aufbau eines Dipolsim Querschnitt

Supraleitende Spulen,aus Rutherfordkabeln mit „Vakuumkern“

Kupferkeile, auf± 20 µm genau gefertigt



Isolation der einzelnen Kabel & der Spulen

Dicke auf 3% genau gefertigt – wichtig um thermische Isolierung klein und gleichmäßig zu halten




Strahlrohrmantel, elektr. Isolator:

• muss Spannungen > 20 kV abschirmen• Abstand zwischen Spulen und

Mantel ≈ 0.5 mm über 15 m




Edelstahlklammern:

• halten den Magneten zusammen• sind aber kein Rückflussjoch

Magnetfeld erstreckt sich überbeide Dipole (Zwillingskonzept)




Eisenspange:

• trimmt das B-Feld• unterdrückt ungewollte Quadru-

und Oktopolkomponenten




Regulär Edelstahl beschichtet

Eisenjoch:

• dient als Rückflussjoch• hält Magnete zusammen




Quadrupol-Bus (fokussierend)

Quadrupol-Bus (defokussierend)

Dipol-Bus

Temperatursensor

insgesamt etwa 160 km Haupt-Bus-Kabel




äußere Hülle:

• besteht aus 2 gebogenen Stücken• bis 2003 was es noch nicht

gelungen die Krümmung exaktgenug zu fabrizieren (± 2.5 mm)

He II – Leitung (aus Kupfer)




das Strahlrohr



Beam ± 3 sigma

± 3σ(1.3 mm)

56.0 mm

R. Schmidt

Strahlrohr (gezoomt)



das Strahlrohr




magnetischer Flussbei 10 T (Simulation)



Dipolendkappe

Rückflussjoch

Strahlrohrmantel


Dipolendkappe

Abschlussplatte

Bus-System


Dipolendkappe


Dipolendkappe

äußere Hülle


Dipolendkappe

Heliumleitung


Korrekturmagnete(hier Sextupole)

Dipolendkappe


Dipolendkappe

Abschluss mit Anschlüssen

(kalter) Standfuß, muss sehr genau ausgerichtet werden Laser


Dipolendkappe

LTD 500Mechanischer Maulwurf


Dipol-Gesamtansicht


Quadrupolmagnete

Querschnitt einesidealen Quadrupols

Quadrupolnäherung


LHC-Quadrupol

• Quadrupole sind einzeln in Edelstahl gefasst• gemeinsames Rückflussjoch• 2-in-1 Prinzip, aber nicht Zwilling

(mechanisch und magnetisch entkoppelt)


Verschiedene LHC-Quads

Name Haupt-Quadrupol Anpassungs-Quadrupol Weitwinkel-Quadrupol

200 T/m 160 T/m

4,5 K1,9 K

Gradient 223 T/m

Temperatur 1,9 K


Rutherfordkabel

• Supraleiter: Niobium-Titanium

• etwa 6000 Drähte in Kupfermatrix

• etwa jeweils 30 Stränge bilden ein Kabel

• Dipolstromdichte Jgesamt = 500 A/mm²(ca. 50 mal größer als konventionell)


Rutherfordkabel 2Kontaktwiderstand Rcam Kreuzungspunkt

induzierte KreisströmeI ∝ -dB/dt und I ∝ 1/Rc

SupraleitenderPfad im Kabel

• Rauf- und Runterfahren des Beschleunigers Kreisströme

• Strom ist proportional zu 1/RcRc zu klein großer Wirbelstrom QuenchenRc zu groß quencht eine Ader kann der Strom nicht „ausweichen“

• Kabel wird mit SnAg-Gemisch (ZinnSilber) beschichtet

⊗ dB/dt


Quenching• quenching = Supraleiter wird normal leitend• Temperatur steigt lokal dramatisch an• Spulen-Energie wird in thermische umgewandelt• kann durch mJ-Schwankungen ausgelöst werden

mögliche Ursachen:• induzierte Ströme (siehe Rutherford-Kabel)• Bewegung des Supraleiters im µm-Bereich• vom Strahl deponierte Energie• Fehler im Kühlsystem

Gegenmaßnahmen:• der Quench muss detektiert werden• Strom des Magneten abstellen << 1 Sekunde• Strom der anderen Magnete fließt über Bypassdiode• Magnet wird geheizt (Quench Heater: 0,1 µm dicke Kupfer-Stahl-Schicht auf der Spule)

Energie verteilt sich im MagnetenWärmekapazität steigt

Supraleitfähigkeit vonNiobium-Titanium

B

I

T


Inhalt1) Einleitung




5) Zusammenfassung


Kälter als der Weltraum

Der kälteste Ring im Universum!

T1.9 K 2.728 K

Ph. Lebrun


Das Kühlsystem• insgesamt werden 4600 t auf 1,9 K gekühlt• alle Magnete müssen im Betrieb unter 1,9 K gehalten werden• Abkühl- bzw. Aufwärmphase ist (wie verlangt) nicht länger als 2 Wochen• Heliumvorrat: 96 t• einzelne Bereiche lassen sich schnell auf- und wieder abkühlen (für

Reparaturen/ Tausch von Komponenten)

zu beachten ist:• LHC ist unterirdisch begrenzter Zugang zu allen Komponenten• 1,4 % Steigung erschwert das Pumpen des Heliums• 15 m lange Magneten vertragen maximal 75 K Temperaturgradient


Das Kühlmittel

Helium II

• Helium siedet bei 4,22 K

• He II = flüssiges He unterhalb des Lambdapunktes bei 2,1768 K

• He II ist suprafluid

• keine Viskosität (in der Praxis minimal)

• fließt durch kleinste Öffnungen (bis 10-8 m)hohe Anforderungen an Schweißnähte usw.

•größte, bekannte Wärmeleitfähigkeit(106 mal größer als Helium I)(mehrere 10² mal größer als Kupfer)


Kühlung des Rings

1.8

1.82

1.84

1.86

1.88

1.9

1.92

0 3334 6668 10002 13336 16670 20004 23338 26672Distance [m]

Mag

net t

empe

ratu

re[K

]

Nominal operationStandby operation

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P1

Maximum allowed


InterconnectionBox

Distribution Line

Magnet Cryostats

Cold CompressorBox

Warm CompressorStation

Shaft

Sur

face

Cav

ern

Tunn

el

LHC Sector (3.3 km)

Ex-LEP 4.5 K refrigerator 1.8 K Refrigeration Unit


Cold Box

Kryo-Knotenpunkt


InterconnectionBox

Distribution Line

Magnet Cryostats

Cold Compressorbox


Shaft

Sur

face

Cav

ern

Tunn

el

LHC Sector (3.3 km)



Cold Box

Warm Compressor Station(Power Input ~4 MW)

Kryo-Knotenpunkt


InterconnectionBox

Distribution Line

Magnet Cryostats

Cold CompressorBox


Shaft

Sur

face

Cav

ern

Tunn

el

LHC Sector (3.3 km)



Cold Box

Cold Box2,5 kg/min Verflüssigung

Kryo-Knotenpunkt


InterconnectionBox

Distribution Line

Magnet Cryostats

Cold CompressorBox


Shaft

Sur

face

Cav

ern

Tunn

el

LHC Sector (3.3 km)



Cold Box

Warm Compressor Station(Power input ~450 kW)

Kryo-Knotenpunkt


InterconnectionBox

Distribution Line

Magnet Cryostats

Cold CompressorBox


Shaft

Sur

face

Cav

ern

Tunn

el

LHC Sector (3.3 km)



Cold Box

Cold Compressor Box

Kryo-Knotenpunkt

Air LiquideCold Compressor box

IHI-LindeCold Compressor box


Kühlung der Magnete

He II, statisch He-Leitungfließendes He II

MagnetHe-Wanne

Kühlsystem im LHC-Tunnel

He-Kühlungder Magnete


Thermische Isolierung

Auflage aus Aluminium



weitere Isolationsschichten



Aluminiumhülle



Vakuumröhre aus Karbon und Stahl

Inhalt





5) Zusammenfassung


Energie im LHC

gespeicherte Energie im 7 TeV Betrieb:

• in den Dipolmagneten: 9,4 GJ

• pro Teilchenstrahl: 346 MJ

insgesamt über 10 GJ

Was bedeuten 350 MJ?

• 35 Tonnen fallen aus 1 km Höhe

Was bedeuten 10 GJ?

• 35 Tonnen fallen aus 28 km Höhe

• schmelzen von 12 t Kupfer

• entsprechen 1,9 t TNT


Einschlagtests (SPS)

ungeplanter Einschlagstest, 4 x 72 Pakete in QP Vakuumkammer

geplanter Einschlagstest, 72 Pakete @ 450 GeV in Zinkplatte


Strahl-Entsorgung

• nach 10 Stunden ist Luminosität auf etwa 1/3 gefallen

• Strahlstrom nur wenig reduziert

• Energie pro Strahl beträgt dann noch immer 200-300 MJ

• Strahlen werden in Dumpern entsorgt

Strahlabsorber (Grafit)

etwa 8 m

BetonabschirmungL. Bruno

Strahlachse


Kollimator

P.Sievers / A.Ferrari / V.Vlachoudis

Strahl ± 3σ

56,0 mm

1 mm

± 8σ = 4,0 mm

R. Schmidt

• 99,9% der Protonen, die verlorengingen, werden vom Kollimatorgefiltert

• 2003: optimales Material nochnicht gefunden

• wird wahrscheinlich LHC limitieren

20 Pakete treffen KollimatorBeryllium: 500 °CGrafit: 1500 °Cdie meisten Metalle schmelzen




5) Zusammenfassung

Inhalt



Logistik

allein wegen der Magnete:

• etwa 50000 t Material im Tunnel verbaut

• etwa 150000 t durch Europa gefahren

• viele Teile (Rohre, Magnete usw.) musstenindustriell gefertigt werden, bei minimalenProduktionstoleranzen

viele neue Verfahren und Geräte musstenentwickelt werden (siehe nächste Folie)

LHC-Entwicklung = Industrie-Entwicklung


Innovation & Industrie


Almost there…

• Beginn des LHC-Strahl-Betrieb inOktober/ November 2007

• zwei Monate Kalibrierungsläufebei 450 GeV

• Begin des 7 TeV Betriebs in 2008

Der LHC bietet:• 7 mal größere Schwerpunktsenergie als bisher (14 TeV)• 200 mal größere Luminosität als bisher• erlaubt Nachweis von Higgs-Teilchen (falls vorhanden)

Technik:• umfassende Umbauten der Vorbeschleuniger waren nötig und erfolgreich• nur Superlativen: Größe, Magnete, Kühlung, Logistik, Kosten• Entwicklung und Erforschung neuer Techniken• enge Zusammenarbeit mit Industrie

Energie:• über 10 GJ müssen gespeichert und kontrolliert• Störungen im mJ-Bereich können kritisch werden

Aktuell:• Begin der LHC-Kalibrierung: November/ Oktober 2007• Begin des 14 TeV Betriebs: Anfang 2008

Zusammenfassung

Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleunige J. Sammet -95-

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