LHC
Panorama dello starting-up
W. Scandale
CERN
INFN gruppo I
Frascati, 12 novembre 2003
Indice
• Parametri e struttura di LHC
• Dipoli
• Vuoto
• Collimazione
• Estrazione e dump dei fasci
• Scenari di running-in
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Che cosa è LHC?
Opinione espressa nel marzo 2002 da Maury Tigner,
Chairman del LHC Machine Advisory Committee
• “The LHC is a global project with the world-wide highenergy 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”
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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
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Parametri principali di LHC
Collision energy per beam
Dipole peak field
Luminosity
(TeV)
7.0
(T)
8.3
(cm-2 s-1)
1034
(TeV)
0.45
(A)
0.56
Injection energy
Circulating current per beam
Number of bunches
2808
Particles per bunch
1.1x1011
Stored beam energy per beam (MJ)
350
Beam size at IP
(mm)
15.9
Beta values at IP
(m)
0.55
( µm)
3.75
(µrad)
250
Normalised emittance
Crossing angle
Beam lifetime
(h)
22
Luminosity lifetime
(h)
10
(kW)
3.7
Radiated power per beam
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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
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Struttura dell’arco regolare
Standard Arc layout
392 SSS containing
392 Main
Quadupoles + 2500
Correctors
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1232 MB
containing 1232
Main Dipoles +
3700 Spool
Pieces
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Interconnessioni fra magneti
6 bus bars (13 kA) for MB,
QD and QF
20 bus bars (600 A) for
spool pieces (to
compensate dipole field
errors)
Protection diods
Required
interconnections:
• Beam pipes
• He pipes
• Cryostat
• Thermal screen
• Vacuum pipes
• Superconducting cables
42 bus bars Sc (600 A)for correction magnets
in the SSS (chromaticity’, tune, etc...) + 12
bus dello
bars
(6 kA)
for special 8quadrupoles
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starting-up
12-11-2003
Dipoli
Il CERN è responsabile di
• Concezione e disegno
• Procedura di assemblaggio
• Qualità del campo magnetico
• Fornitura dei componenti,
compresi i cavi superconduttori
Dipoles in the final assembly phase
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Caratteristiche del Dipolo



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).
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Bobine collarate
Controllo della qualità di campo:
esempio della componente sestupolare
b3 straight part (units)
Data reduced to
nominal shims
Firm 1
Firm 2
Firm 3
15
10
Collared coil
5
systematic X-section 1
0
upper limit for systematic
-5
systematic X-section 2
aim of X-section
correction
-10
lower limit for systematic
-15
0
10
20
30
40
50
60
70
Magnet number
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80
90
100
110
AT-MAS & MTM
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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
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Forma del dipolo dopo la saldatura
Horizontal deviations from the curvilinear referential
(with 9.1 mm sagitta)
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“Training” dei dipoli fino a B = 8.3 T
MB1005 (cold weld problem)
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“Training” dei dipoli fino a B = 9.0 T
Bonus di produzione
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Memoria dopo un ciclo termico
Comportamento ideale
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Dipoli già consegnati al CERN
Masse fredde in ritardo di circa 3 mesi
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Dipoli già criostatati al CERN
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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.
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Vuoto
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.
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).
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Vuoto
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Collimazione dei fasci
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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)
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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 ?)
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Sistema di dump del fascio
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Sistema di diluizione del fascio estratto
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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). W.Scandale, LHC Panorama dello starting-up 12-11-2003
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Performances limitations
protons
in a bunch
Luminosity:
L=
event rate
cross section •
=
1
•
no. of bunches
revolution frequency
N1 N2 k f
for equal, round, bi-Gaussian beams: N
•
S
beam cross section
2
1 N2 = N
S --> 4š  2
* =



*
L=
invariant emittance

L=
*
Transverse beam density:
• head-on beam-beam
• space-charge in the injectors
• transfers dilution
N
*
N kf 
 

N
²t
Beam current:
• long range beam-beam
• collective instability
• synchrotron radiation
• stored beam energy
Head-on beam-beam:
detuning
 rp N

 nb. of interactions Š 0.02
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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
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Preparazione dei fasci
Sul 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’ = 1 2 unità
•Accoppiamento lineare ≤ 0.005
•Regolazione dei feedback
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Ottimizzazione
di complessità
crescente
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Preparazione
Preparazione
delle
deicollisioni
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
 squeezing
•Incrocio head-on (=0)
•Usare k = 43
•Assenza di interazioni parassite
•Assenza di nuvola di elettroni
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Possibili steps del running-in
E = 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 -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…)
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Preparazione
Prime collisioni
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,* = 1.0 m, Nb = 0.9 1011
•L = 6·1031 cm-2s-1 / ev. per xing ~ 6
Scenario2:
•k = 43,* = 0.55 m, Nb = 0.9 1011
•L = 1.2·1032 cm-2s-1 / ev. per xing ~ 14
Tests per l’acceleratore:
•Ottimizzazione -sqeezing
•Test incroci ad angolo
•Effetti errori tripletti ( 
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Molti bunches spaziati di 75 ns
Motivazioni:
•Assenza di nuvola di elettroni
•Angolo di incrocio ridotto ( ≤ 250 mrad)
Scenario2:
•k = 936,* = 0.55 m, Nb = 0.9 1011 , ≤ 250 mrad
•L = 1.2·1033 cm-2s-1 / ev. per xing ~ 6
Possibili sviluppi:
•Ottimizzazione -sqeezing nominale (m)
•Test incroci ad angolo nominale (= 250 mrad)
•L = 2.5·1032 cm-2s-1 / ev. per xing ~ 13
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}
Cambiamento dovuto
all’introduzione del beam
screen nei tripletti
Scenario 1:
•k = 936,* = 1.0 m, Nb = 0.5 1011, ≤ 250 mrad
•L = 5·1032 cm-2s-1 / ev. per xing ~ 2
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,* = 0.55 m, Nb = 0.4 1011, = 285 mrad
•L = 1.2·1033 cm-2s-1 / ev. per xing ~ 2
Nb può aumentare verso il valore nominale al progredire
della pulizia dello schermo di fascio mediante scrubbing
Scenario2:
•k = 936,* = 0.55 m, Nb = 1.1 1011 , = 285 mrad
•L = 1.0·1034 cm-2s-1 / ev. per xing ~ 20
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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.
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