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HERA Statue… mit Kopf

... Historischer Überblick

... Aufbau eines Hochenergie-Speicherrings

...Umbaumaßnahmen

...Erste Ergebnisse und Messungen am Strahl

Die neue HERA: Status der Maschine nach dem Lumi-Upgrade„ Bernhard Holzer, MHE

Basic Layout of the Machine

HERA is a double ring collider:

two independent storage rings

4 straight sections for experiments

collision of protons & electrons at two interaction regions (North/South)

internal gas target at IR East

internal wiretarget at IR West

H1

Hera-B

Hermes

ZEUS

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HERA History

1981 Proposal for a e/p collider at DESY1984 Start of construction1988 Commissioning of the electron storage ring1991 Commissioning of the proton storage ringOct. 1991 First e/p collisions1992 Detectors H1 & ZEUS „on beam21994 Installation of Spin rotators in section east1995 HERMES Experiment 1996 HERA-B Experiment1998 Proton energy increased to 920 GeV1999 Design luminosity 2000 L ≥ 2∗ 10 ^31 cm^-2 sec^-1

Circumference: 6.3 km

Proton Beam: Injection Energy 40 GeVLumi-Energy 920 GeV

Electron Beam: Injection Energy 12 GeVLumi Energy 27.5 GeV

Magnetic field p-ring: 5.1 Tesla at I=5500 A for 920 GeV

422 s.c. dipole magnets224 s.c. main quads, 400 s.c. correction quads200 s.c. correction dipoles

> 1000 n.c. electron magnets

HERA Parameter

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Resumé nach 10 Jahren Betrieb

* Steigerung der Intensität* Betrieb mit 4 Experimenten* Longitudinale Polarisation

* Steigerung der Effizienz* Erhöhung der Protonen-Energie:

820 920 GeV

Steigerung der Luminosität durch Verkleinern von β*

Lattice design of a high energy storage ring:

Arc: FoDo Structure regular (periodic) magnet structure,bending, main focusingtune control, chromaticity correction, higher order corrections

Dispersion suppressor in horizontal plane: missing bend schemein vert. plane non-dispersive „S-shape deflection“

Interaction area: low beta insertion of both beams, beam separation, light collimation

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Luminosität

… bei aller Liebe: eine Formel muss erlaubt sein

p-Bunch

e-BunchWWP 2 σ

3*10^10 Teilchen

7*10^10 Teilchen

∗∗

=yxσσπ

pI eI*

buf2e4

1L

Lumi- Upgrade

Der „Lumi-Upgrade“

• Stärkere Fokussierung der beiden Strahlen Kleinere β Funktionen an den Wechselwirkungspunkten

stärkere Quadrupol Magnete

• Unterschiedliche Energien von e- und p-Strahl getrennte Behandlung der beiden Strahlen

schnellere Strahltrennung nach der Kollision

• Kleinere Ablenkradien im Bereich der Wechselwirkungs-Zone: mehr Synchrotron Strahlung

Ziel: Deutliche Erhöhung der Leisungsfähigkeit (i.e. Kollisionsrate) durch Erhöhung der Teilchendichte an den Kollisionspunkten N&S (Faktor 4)

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Upgrade Parameter TabelleUpgrade Parameter Tabelle

7*1031

1.8*1030

1.7*1031

6.7*1029

L0

Lsp

112 μm30 μm

190 μm50 μm

σ_xσ_y

0.63 / 2.45 m0.26 / 0.18 m20 / 5.1 nm

1.0 / 7.0 m0.6 / 0.5 m41 / 5.1 nm

βxβyεx

189 / 180174

189 / 180174

n_gesn_koll

4.0 / 10.3 *10103.5 / 7.3 *1010N pro Bunch

58 / 140 mA45 / 100 mAI(mA)27.5 / 92027.5 / 920Energie (GeV)

UpgradeHERA 2000

Beteiligte DESY Gruppen

MPY/MHE: Maschinenphysik, Optik Rechnungen, SynchrotronlichtZR: Organisation, Koordinierung der Arbeiten im TunnelZBAU, ZMEA: Aufbau & Installation des neuen Lattice im TunnelZMEA2: Vermessung / Justierung der neuen Strecken, ARENAMKS: Installierung der neuen supraleitenden MagneteQuench-Protection: Überwachung der neuen s.c. MagneteMPL: Konstruktion (Brücken)Magnetmessgruppen: Holler et al, Brück et alMKK: Neue Netzgeräte, neue Stromversorgung und KühlungMVA/MVP: Vakuumsystem von 0m ... 70 m komplett neu gebautMKI: Kontrolle der neuen Hardware, Spezialprogramme

(GM, Cal etc)MHF: Demontage und Reinstallation von KomponentenZEUS/H1: neue Lumi-Messung, neue Detektor-Komponenten,

neue Untergrund-DetektorenBNL: neue supraleitende MagneteEfremov: neue normalleitende Magnete externe Firmen Magnete, Spulen etc.

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1.) Abbau der alten Lattice-Struktur

• Demontage aller bisherigen Magnetein den beiden WWZ (0 m ... 70 m)

• Abbau der alten Magnetgestelle,Kabel, Wasserkühlungen

• Demontage des gesamten Vakuumsystems in diesem Bereich

2.) Vorbereitungen für den Aufbau des neuen Lattice

• Aufbau der Infrastruktur: Haupt-Kühlwasser Leitungen, Stromkabel

• Vorbereitung der Magnetstützen• Vermessen der neuen

Magnetpositionen

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3.) Stärkere Fokussierng

• Stärkere Quadrupollinsen:

σ∗ = 190 μm 112 μm neue stärkere MagneteStarpferd: GN: 30 T/m (vgl. QR: 22 T/m)

4.) Kompakte Bauweise• Starke Fokussierung zweier

unterschiedlicher Strahlen

• Vor-Montage der Komponenten auf Brücken, die vom Tunnelende bis an den Detektor heranreichen

Installation der gesamten Struktur mit Magneten, Verkabelung, Wasseranschlüssen etc.•Hohe „Packungsdichte“ in der Nähe des IP

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5.) Kurzer Abstand zum IP !!

1.) Installation der ersten magnetischen 2.) Intergation der ersten Magnete in denLinsen so früh wie möglich nach dem Detektor !Kollisionspunkt.

3.) Betrieb dieser Magnete im Solenoidfeld 4.) Schnelle Separation der beiden der Expermente Strahlen,

Kombinierte Fokussierung und Ablenkung von e & p Strahl in den low-Beta-Quadrupolen

** *1

yx

Lσσ

∝

*2

**

s βββ

βεσ

s+=)(

∗=

∗

Montage des ersten – supraleitenden – Elektronen Quadrupols im H1 Detektor

Ziel: Kompakte Bauweise, Betrieb im Solenoidfeld, Integration von 5 Magneten in einem Kryostaten. (Quadrupol, hor. & vert. Dipol, 6pol, skew Quad)

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5.) Kurzer Abstand zum IP !!

Wegfall des Solenoid-Kompensations Magnetes in H1 und ZEUS

Platz für die neuen Mini-Beta MagneteKompensaton der Solenoid Kopplung durch geeignete

„Skew-Quadrupol-Magnete“transversale Polarisation des e-Strahls wird durch das

lokale Solenoid-Feld der Detektoren gestört.

Einbau der Spin-Rotatoren in den WWZ Nord & Süd

Einbau der Spin Rotatoren N & S

„Die ägyptische Methode“

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Schnelle Strahltrennung

Schnelle Strahltrennung

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Schnelle Strahltrennung

Gemeinsames Vakuumsystem von e&p Strahl im Bereich der Brücken

Strahlführung unmittelbar nach derTrennung der Vakuumsysteme

7.) Synchrotron Strahlung

• Schnelle Strahltrennung: grosse Kräfte auf den e-Strahl, kleine Biegeradien R

Rc

RE

cmeE

RE

cmceP

c

s

2=

=Δ

=

3

0

0

γω

ε

πε

3

)(3

)(1

6

4

420

2

2

4

420

2 Synchrotron Strahlungs Leistung

Energieverlust pro Umlauf

„typische Frequenz“ des abgestrahltenLichtes

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7.) Synchrotron Strahlung

Synchrotron-Lichtfächer des Positronenstrahls

Beim Durchlaufen der neuen Wechselwirkungszonen Süd / Nord strahlen die Teilchen insgesamt eine Leistung ab von ca. Pges.= 30 kW

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Synchrotron Strahlung

32.90.038QL11

88.00.014GO86.70.014GG0154.30.023BO0946.60.027BN1264.00.019BI01

Energie in keV

Wellenlängenm

kritischekritische

Synchrotron Strahlung

• Durchführen der „Upstream-“ entstandenen Strahlung durch das Experiment ,

• Kontrolle des Lichtfächers mit neuer Diagnose

• Absorption der γ´s in speziellen gekühlten Absorbern

Integrierte Temperatur Messung zur Kontrolle des Lichtfächers

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“Das GI-Problem”

Anfahren eines Speicherrings:

• Setzen der theoretisch berechneten Magnetströme für Quadrupol-Linsen und Dipolmagnete

•Optimieren des Transfers vom Vorbeschleuniger

•Injektion/ Optimieren des Orbits im ersten Umlauf

•Lenken des Strahls durch gezielte Orbitkorrekturen um die Maschine

•Korrektur der Differenz von Strahllage und –Winkel am Ende des ersten Umlaufs bzgl des Anfangs des ersten Umlaufs.

In einem Speicherring muss der Strahl dann speichern

…eigentlich

Fädeln des ersten Strahls in HERA-e:

Wechselwirkungs Zone Nord:Injektion: WR 300m Quadrupol-Linse GI

Sprunghaftes Abwachsen der Schwinungsamplitude in hor. Richtung,Plötzlich entstehende vertikale Schwingung

Kick in der hor. Ebene Orbit ProblemKopplung von hor. In die vertikale Ebene Optik-Problem

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... Lokalisierung der Fehlerquelle: GI Magnet

Bohrung einer Durchführung um die Kabel-Anschlüsse zu erreichen

Kurzgeschlossener Leiter am Spulenanschluss durch verbogenen Kühlwasseranschluss.

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Das Arena Problem

Die Color-Line Arena im Hamburger Volkspark

… es gibt da zwei Probleme:

1.) KV. 186 a, Synph. A Dur

2.) Erdarbeiten oberhalb der beiden HERA Ringe:Entfernen von Erdreich zum Vorbereiten der Fundamente

Vergiessen der Fundamente und Aufbau der Arena

Veränderliche Last über dem Tunnel

7mm

350 m

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8.) Optik Messungen

GI07 SL, mit Saettigung

y = 18.871x + 0.0389

0.275

0.28

0.285

0.29

0.295

0.3

0.305

0.31

0.315

0.32

0.01360 0.01380 0.01400 0.01420 0.01440 0.01460 0.01480

Qx, Qy

k*L

1. Gespeicherter Strahl in allen „Files“: 40, 150, 300, 680, 820, 920 GeV, Lumi2. Optimieren von Orbit, Strahlverlusten, Strahlparametern3. Messung der Strahl-Optiken

LknQ

dlknQ

*__

****41

****41

βπ

βπ

Δ=Δ

∫ Δ=Δ

Optik Messungen

Erste Optik Messung im Lumi-File:Fehler Δβ/β = 300%Falsche Kalibrierung einer Quadrupol Linse

Korrektur des Magnetstroms

Aktueller Stand: Abweichungen in der Strahlgröße: 10...15 %, in beiden Speicherringen

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9.) Luminosität

• Erste Testkollisionen im Oktober 2001

Suche nach Luminosität in beiden Experimenten

Ereignisrate am H1 Luminositäts Detektor (willkürl. Einheiten)

Steigerung der Rate beim Variieren der transversalen Strahlposition des p-Trahls bzgl. des e-Strahls.

Messung der spezifischen LuminositätKollision der beiden Strahlen mit gegenseitigem transversalen Abstand, „Lumi-Scan“ , Messung der (unkalibrierten) Ereignisrate durch die Experimente

21230

yx

yx

sec10*8.1

:her Werttheoretisc−−−

∗∗

∗∗

=

=

=

mAcmspecL

1*

uf2e4

1specL

pI eI*

buf2e4

1absL

σσπ

σσπ

Experimentell gemessen

Strahl-Studien: Luminosität

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Aktuelle Situation: Untergundstudien

Synchrotronstrahlungs Untergrund in den neuen WWZ ist kritisch. Derzeit limitiert die Untergrundrate die in HERA akkumulierte Intensität.

Messung der Lage des Strahls bzgl. der Quadrupol Achsen... Ein ausser Achse stehender Quadrupolmagnet lenkt den Teilchenstrahl ab ... Und produziert damit zusätzliches Synchrotronlicht.

Beam Based Alignment (BBA).Messung der Strahllage in den Quadrupolen der WWZ durch Variieren der Linsenstärke.

Δ k*Lk*L

Offset Offset

Optimierung von Strahllage und –winkel am IP anhand von Experimente-Daten:

Beispiel: H1 SpaCal Messung zur Minimierung des Synchrotron-Licht Untergrundes

Optimierung am Strahl

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Aktuelle Situation:

• Alle relevanten „Files“ etabliert, Rampe beider Strahlen ohne Probleme (!)

• Neue Magnete funktionieren bei allen Energien

• Strahlstudien: Optiken o.k. (!!)

• Spez. Luminosität: o.k. ,sehr nah am theor. erwarteten Wert (!!!)

• Injektion e & p: o.k. ... muss noch besser werden

• ABER Untegrundprobleme in beiden Experimentenhohe Beeinträchtigung der Detektoren H1 und ZEUS durch Synchrotronlicht

Problem der Magnet-Aufstellung BBA Studien

• Konstruktion zusätzlicher Synchrotronlicht Kollimatoren

• Optimierung von Strahllage & Winkel links vom Experiment

Resumé:

• beide HERA Speicherringe sind in Betrieb• Strahldimensionen stimmen gut mit den theoretisch erwarteten Werten überein (im Bogen und an den IP´s)

• alle benötigten Zustände wurden mit Strahl etabliert und optimiert (Injektion, Beschleunigung, Parkposition, Luminosität)• erste Kollisionen in Testbetrieb zeigen fast die erwartete Kollisionsrate

Weiteres Vorgehen...

• Untergrund Optimierung (ZEUS)• Reproduzierbarkeit der Orbits, d.h. der Lage von Strahlteilchen und Synchrotronlicht-Fächer• Polarisationstunes (d.h. Optimierung der e-Strahlparameter für HERMES)• Höhere Intensität höhere absolute Luminosität

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Typ QR

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Strom (A)

Feld

fehl

er (%

)

GA

-10-8-6-4-2024

0 100 200 300 400 500

Strom (A)

Saet

tigun

g (%

)

Appendix:

Saturation effect of the magnets QR14 and GA:

Current at Luminosität:I=483 A

Current at Luminosität: I=428 A