background issues in the new hera interaction region• at hera complications due to fixation of...

33
Background Issues in the new HERA Interaction Region M.Seidel, DESY January, 2004 Overview on HERA Interaction Region p-Gas Background Synchrotron Radiation e-Gas Background Recommendations from HERA Experience B O M. Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

Upload: others

Post on 21-Oct-2020

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • Background Issues in the new HERA

    Interaction Region

    M.Seidel, DESY

    January, 2004

    • Overview on HERA Interaction Region• p-Gas Background• Synchrotron Radiation• e-Gas Background• Recommendations from HERA Experience

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Goal-Parameters for theUpgraded HERA

    e-Beam p-Beamenergy 27.5 GeV 920 GeVbeam current 58 mA 140 mAemittance 22 nm 5 µm /γemittance ratio 0.18 1betafunction IP β∗x 0.63 m 2.45 mbetafunction IP β∗y 0.26 m 0.18 mbeam size σx × σy 118µm×32µm 118µm×32µmtune shift/IP ∆νx,y 0.027, 0.041 0.0017, 4.6 · 10−4aperture 20 σ 12 σ

    Luminosity 7.00 · 1031cm−2s−1

    =⇒ specific luminosity is raised by factor 2.8

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Overview on new IR

    sc magnets

    SR Lightp−beame−beamchamber

    Absorber

    GN GN GM GM GJ GI GO GM GM GN GNGG GI GI GJ

    −0.5

    −0.4

    −0.3

    −0.2

    −0.1

    0

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

    −30 −20 −10 0 10 20 30

    x [m

    ]

    z [m]

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Switching the Lepton Speciesby Quadrupole Shifting

    -0.15

    -0.1

    -0.05

    0

    0.05

    0.1

    0.15

    -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

    x [m

    ]

    z [m]

    Offs

    et 7

    .5m

    m

    electrons, 20σxprotons (e-), 12σxpositrons, 20σxprotons (e+), 12σx

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Side View of H1 Detector

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • GO magnet in H1

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • ZEUS Detector

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Bridge rightMagnets open

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Chamber Cross-Section

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Septum Absorber - Beam View

    SR Power: P ≈ 6 kWCrit. Energy Ec ≈ 150 keV principle: � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

    � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

    � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

    20 mm

    40 mrad

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Absorber Coating Under Work

    idea: thin low Z layer over thick high Z layerproblem: stability at brazing temperature

    history of sandwich-layers tested

    Mo − 100um

    Cu − 15um

    Ag − 25um (braze)Cu − 15um

    Cu − bulkCu − bulk

    Ni − 15um

    Ni − 100um

    Ag − 100um

    Cu − bulk

    Ni − 2umAu − 20umNi − 2um

    Ag − 50umNi − 2umCu − 15um

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Three ChambersBehind SeptumAbsorber

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Mirror Plate Magnet GM

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • p-Chamber in GM, Septum Magnet

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Overview on Types ofBackgrounds

    we expected (and have evidence for) four types ofbackgound:

    • Proton Halo Losses in low-β quads– critical when diffusion/emittance growth from beam-beam effects comes in

    – controlled by two stage collimation system; relative beam size and position

    • Proton Gas Scattering– lepton-SR induced Pressure Rise!, HOM heating!

    – dominating effect!

    • Synchrotron Radiation– masking of direct and indirect radiation

    – orbit-control → bending in quadrupoles; direction of radiation

    • Lepton Gas Scattering– wide energy spectrum of scattered leptons

    – momentum collimation

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Proton Gas Scattering

    • most sensitive within 20 m from the IP (Monte Carlo)• verified with artificial pressure bumps (red)

    • cross-section with gas species: σI ∝ A23

    that the gas released when the TSPs are heated is primarily hydrogen. Reasonable agreement isseen, particularly when it is borne in mind that the systematic uncertainty in the measurementsis at least 20%, as is illustrated by the spread of the three measurements taken at 3.6 m, eachwith different values of Pmax. Further, the geometry of the pumps in the range 11 to 61 m issuch that the getter pump sees a larger proportion of the pressure induced in the heating of theTSPs than do the getter pumps closer to H1. The more distant values should thus be correctedupwards somewhat.

    z/m

    ∆IC

    JC1/I

    p/p m

    ax [µ

    A/m

    A/1

    0-9 m

    bar]

    0 20 40 600

    0.01

    0.02

    0.03

    0.04

    0.05TSP heating datapp MC (arb. units)

    Figure 30: The sensitivity of the CJC currents to changes in the pressure in the beam lineinduced by heating the TSPs, shown as a function of the position along the beam line up toz = −60 m from the H1 detector for proton only operation. The points represent the data whilethe band is a Monte Carlo prediction assuming that heating the TSPs leads to the production ofhydrogen.

    3.1.4 Switching off pumps

    Experimental measurements of the sensitivity of the H1 detector to deterioration in the vacuumat different positions along the beam line may also be made by turning off selected ion getterpumps. This was attempted for the pump at NR 3.6 m. The results are shown in figure 31.There is no perceptible change in the CJC current during the period in which the high voltage ofthe getter pump was off. It is, however, likely that the pressure change resulting from switchingoff the getter pump was small. Firstly, the pumping speed of the getter pump is small comparedto that of the TSP at the same location, 60 l/s as opposed to 1000 l/s, and secondly, the getterpump continues to function as a titanium sublimation pump even when turned off until thetitanium surfaces become saturated; this may take hours or even days depending on the pressure.Despite this, the pressure measured at NR 6 m is seen to rise slightly. It is possible that thisis due to methane, which is not efficiently pumped by TSPs. This experiment was consideredinconclusive due to the various difficulties mentioned above and was therefore repeated using

    30

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • IR Pressure in typical Run

    1e-11

    1e-10

    1e-09

    1e-08

    1e-07

    11/1220:00

    12/1200:00

    12/1204:00

    12/1208:00

    12/1212:00

    12/1216:00

    12/1220:00

    13/1200:00

    13/1204:00

    13/1208:00

    13/1212:00

    13/1216:00

    13/1220:00

    Dru

    ck [m

    bar]

    north L8north L6

    north R3.5north R6north R8

    0e+00

    1e+01

    2e+01

    3e+01

    4e+01

    5e+01

    11/1220:00

    12/1200:00

    12/1204:00

    12/1208:00

    12/1212:00

    12/1216:00

    12/1220:00

    13/1200:00

    13/1204:00

    13/1208:00

    13/1212:00

    13/1216:00

    13/1220:00c

    urre

    nt [m

    A],

    ener

    gy [G

    eV]

    Zeit

    energycurrent

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Simulated Pressure Distribution

    1.0e-11

    1.0e-10

    1.0e-09

    1.0e-08

    -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

    P[m

    bar]

    IP

    zeush1

    0.0e+001.0e+022.0e+023.0e+024.0e+025.0e+026.0e+02

    -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20spe

    c. s

    peed

    [l/s

    m]

    pos[m]

    pumping speed

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Old and New Radiation Mask in H1

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Temperatur GG Flange at H1H1 Beam pipe temperature

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    40

    45

    50

    9 12 15 18 21 24

    Wed 27.11.2002time [hours]

    T[o

    C]

    Wed 27.11.2002Wed 27.11.2002Wed 27.11.2002Wed 27.11.2002Wed 27.11.2002Wed 27.11.2002

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Pressure Development 2002/03

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Development of Drift ChamberCurrents at H1 CJC2 current history

    10-1

    1

    10

    100 200 300 400 500 600 700days from 1.1.2002

    ( CJC

    2 - I

    0 - S

    R )

    / ( S

    ep ‘0

    2 pa

    ram

    eter

    izat

    ion

    e-ga

    s + p

    -gas

    )

    10-1

    1

    10

    IeIp < 150 mA2

    IeIp < 500 mA2

    IeIp > 500 mA2

    IeIp > 1000 mA2

    τ = 100 days

    leakNL 11m

    GO/GG110K170K

    leakNR11m

    leakNL

    11m

    for 5000 mA2

    DP 04/01/2004 13.56.09JJ II B O

    M.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Synchrotron Radiation

    • beam separation and quads produce synchrotron radiation (SR);small powers (10−8 of peak density) already problematic!

    • orbit mis-steering:– wrong direction → photo desorption; back scattering; heating– possibly much more power produced; higher critical energy

    • orbit control via BPM’s, beam based methods• continuous quad aligment monitoring• tails in particle beam problematic

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Radiation from Quads is Wider!

    phase space distribution of radiation from a thin slice of combinedfunction magnet (γ−1 opening angle neglected):

    dP

    dl(x, x′, y, y′) =

    C04π2εxεy

    {(1ρ

    + Kx)2

    + K2y2}

    exp(−γxx

    2 + 2αxxx′ + βxx′2

    2εx

    )exp(. . .)

    step through the beamline and integrate projections of suchdistributions:

    1e-05

    1e-04

    0.001

    0.01

    0.1

    1

    10

    100

    1000

    0 0.02 0.04 0.06 0.08

    W/m

    m

    x [m]

    chamber wall

    BOGJGI

    GOall

    -0.5

    -0.4

    -0.3

    -0.2

    -0.1

    0

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

    -10 -8 -6 -4 -2 0

    x [m

    ]

    z [m]

    chamber wall

    BO GJ GI GO

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • 2D Simulation -Nominal and Distorted Orbit

    fan projected

    to 3.5m right

    of IP

    1

    10

    100

    1000

    10000

    100000on axis orbit [W/cm2]

    -4-2 0 2 4

    horiz. dist., 3σ offset

    -4-2 0 2 4

    vert. dist., 3σ offset

    hor. position [mm]

    vert.

    pos

    ition

    [mm

    ]

    pow

    er d

    ensi

    ty [W

    /cm

    2 ]

    -20 0 20 40 60 80 100

    -4-2 0 2 4

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Beam Based AlignmentTwo Methods

    QuadQuadKick Kick

    difference amplitude around the ringglobal optics errors!

    kompensation of kick by two correction coilscalibration of coils! statistics of all monitorscontributes

    specific problems at HERA:

    • nominal offset in x not zero!(paper by G. Hoffstätter, F. Willeke)

    • coupling in vertical plane• IR quadrupoles are thick lenses• advantage: lumidetector fixes IP angle

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Stretched Wire Alignment System

    • stretched gold-plated wire as reference line• 100 MHz signal on the wire is detected in BPM-like monitors• resolution better 1 µm possible; demonstrated at SLAC FFTB• at HERA complications due to fixation of the wire end point on a

    magnet support structure

    ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    Tunnel

    Bridge

    Hall Floor

    Magnet

    Wire

    Magnet Magnet

    Detector

    IP

    remote adjustable

    remote adjustable

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Effects from Electron beam Tails

    particle beam tailsgenerate tails in theradiation fanscraper measurementsfrom HERA-e(A.Meseck, 2000)

    ��� � ����������������������������������� ���!�#"!���$�!%&�

    100000

    1e+06

    1e+07

    1e+08

    1e+09

    -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4

    coun

    t/sec

    ver. scraper position in mm

    "d011958a.dat" using 9:($19*29000)"d15371.d" using 1:6

    "d022002a.dat" using 10:($19*36000)"d25371.d" using 1:6

    10000

    100000

    1e+06

    1e+07

    1e+08

    1e+09

    -10 -5 0 5 10

    coun

    t/sec

    hor. scraper position in mm

    "d031306a.dat" using 11:($19*29000)"d035051a.dat" using 12:($19*36000)

    "d1800.d" using 1:6"d2800.d" using 1:6

    '�(*),+.-0/#132*4,57698;:=< >@?A8CBEDGF!HGI�J�:LKMB�N OM8QP;:SRTP;>MR*:SN8CBUDVRTWXKM8;J7Y@8;:[Z\RT]L<@aMeM?:SB@8gfG]MP;>M<W*KMe�<PCOM8;Z!8gd�WTN OM]M>MNhY@8;:LZjikY@8;:LZlW*KLN8;?m:SPCNWT]bKcn

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Simulation of the SR Fanincluding beam tails

    beam model distribution

    1e-14

    1e-12

    1e-10

    1e-08

    1e-06

    1e-04

    0.01

    1

    -2 0 2 4 6 8

    Dic

    hte

    x in σx

    normal distributiontail distribution

    sum

    resulting distribution of thefan at +3.5 m

    1e-06

    0.0001

    0.01

    1

    100

    -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

    P [W

    /mm

    ]

    x-position [m]

    chamber wall

    electrons, Gaussianelectrons, tails

    electrons, tails scraped

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Lepton Gas Scattering

    • electrons scatter with residual gas molecules and lose energy;if this happens in the straight section upstream of the detectorthey get lost preferentially in the separation field

    • wide energy range for scattered leptons σ ∝ 1/E• strong Z dependence for rest gas σ ∝ Z2

    • sensitivity over long distance

    comparison of old new HERA IR

    Detector

    now

    IP

    Beam

    old setup

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Dispersion Function forDifferent Energies

    problem: scattered particleslose energy; are bent strongerthan nominal inside the de-tector; produce background

    remedy: energy collimation;dispersive section

    -1

    -0.8

    -0.6

    -0.4

    -0.2

    0

    0.2

    0.4

    -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

    x [m

    ]

    Dipol

    Dipol

    electrons, 20 sigma

    -0.3

    -0.2

    -0.1

    0

    0.1

    0.2

    0.3

    -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

    D =

    (x(p

    )-x(

    p 0))

    /(p-p

    0) [m

    ]

    BH BN

    γ

    γelectrons

    electrons

    p = 0.995*p0p = 0.950*p0p = 0.850*p0p = 0.750*p0p = 0.500*p0

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Simulation w/o Energy Collimation

    only beam particles that hitdetector pipe are plotted

    particle energy as functionof distance to IP, where theresidual gas interactionoccurs

    (U. Kötz, ZEUS)

    0

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

    0.5

    0.6

    0.7

    0.8

    020406080100

    ∆p/p

    z [m]

    with chicane (738 hits)

    0

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

    0.5

    0.6

    0.7

    0.8

    020406080100

    ∆p/p

    z [m]

    without chicane (1226 hits)

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04

  • Recommendations fromHERA Experience

    • Synchrotron Radiation– careful simulation and prediction of fan locations required

    – error analysis of orbits and magnet positions

    – shielding of critical vacuum components (bellows, flanges)

    – HOM heating produces outgassing!

    – consider effect of beam tails; possibly scraping required

    • Beam Gas Background– simulation of beam losses from gas scattering (energy loss)

    – consider momentum collimation

    – careful layout of vacuum system at critical locations

    – estimate and prediction of vacuum conditioning

    JJ II B OM.Seidel DESY, IR Mini-Workshop, IHEP Bejing’04