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LHC: Status und AusblickLHC: Status und Ausblick
Rüdiger Schmidt - CERNRüdiger Schmidt - CERN
KET November 2003KET November 2003
Bad HonnefBad Honnef
On behalf of the CERN staff and the outside collaborators
Aussergewöhnliche Anzahl
Beispiellose Komplexität
Sehr hohe Energie im Strahl
Herstellung von Komponenten
Installation
Inbetriebnahme und Operation
ÜberblickÜberblick
LHC Parameter und Layout Strahlen für den LHC – die Vorbeschleuniger Magnete für den LHC Vom Komponentenbau zur Inbetriebnahme Strahlenergie und Beschleunigeroperation Schlussfolgerung
ÜberblickÜberblick
LHC Parameter und Layout Strahlen für den LHC – die Vorbeschleuniger Magnete für den LHC Vom Komponentenbau zur Inbetriebnahme Strahlenergie und Beschleunigeroperation Schlussfolgerung
Momentum at collision 7 TeV/cMomentum at injection 450 GeV/cDipole field at 7 TeV 8.33 TeslaCircumference 26658 m
Luminosity 1034 cm-2s-1 Number of bunches 2808 Particles per bunch 1.1 1011 DC beam current 0.56 AStored energy per beam 350 MJ
Normalised emittance 3.75 µmBeam size at IP / 7 TeV 15.9 µmBeam size in arcs (rms) 300 µm
Arcs: Counter-rotating proton beams in two-in-one magnetsMagnet coil inner diameter 56 mmDistance between beams 194 mm
High beam energy in LEP tunnelsuperconducting NbTi magnets at 1.9 K
High luminosity at 7 TeV very high energy stored in the beam
beam power concentrated in small area
Limited investment small aperture for beams
LHC Layout LHC Layout
Momentum Cleaning – nc magnets
Betatron Cleaning – nc magnets
Beam dump system
RF + Beam instrumentation
1232 main dipoles +
3700 multipole corrector magnets
392 main quadrupoles +
2500 corrector magnets
Regular arc:
Magnets
Regular arc:
Cryogenics
Supply and recovery of helium with 26 km long cryogenic distribution line
Static bath of superfluid helium at 1.9 K in cooling loops of 110 m length
Connection via service module and jumper
Insulation vacuum for the cryogenic distribution line
Regular arc:
Vacuum
Insulation vacuum for the magnet cryostats
Beam vacuum for
Beam 1 + Beam 2
Regular arc:
Electronics
Along the arc about 10000 crates with (radiation tolerant) electronics for:
quench protection, power converters for orbit correctors and instrumentation (beam, vacuum + cryogenics)
ÜberblickÜberblick
LHC Parameter und Layout Strahlen für den LHC – die Vorbeschleuniger Magnete für den LHC Vom Komponentenbau zur Inbetriebnahme Strahlenergie und Beschleunigeroperation Schlussfolgerung
Autumn 2004
Komplex der LHC Vorbeschleuninger Komplex der LHC Vorbeschleuninger
High intensity beam from the SPS into LHCat 450 GeV via TI2 and TI8
LHC accelerates to 7 TeV
LEIR
CPS
SPS
Booster
LINACS
LHC
3
45
6
7
8
1
2TI8
TI2
Ions
protons
Extraction
Beam 1Beam 2
Summer 2003
Spring 2006
VorbeschleunigerVorbeschleuniger
Schon jetzt werden Strahlen mit den nominalen Parametern für den LHC im SPS beschleunigt
Die Extraktion vom SPS mit einem neuen System wurde im Sommer 2003 erfolgreich in Betrieb genommen
B.Goddard
TED4003Beam transferred ~100m
MKE kickers
MSE septaTPSG
TT40 magnets
TT40 magnets
Extraktion vom SPSExtraktion vom SPS
B.Goddard
Installation von Magneten in der Installation von Magneten in der Transferline Transferline …ab Dezember 2003 …ab Dezember 2003
ÜberblickÜberblick
LHC Parameter und Layout Strahlen für den LHC – die Vorbeschleuniger Magnete für den LHC Vom Komponentenbau zur Inbetriebnahme Strahlenergie und Beschleunigeroperation Schlussfolgerung
1232 LHC Dipolmagnete 1232 LHC Dipolmagnete
Herstellung von supraleitendem Material Herstellung von supraleitenden Kabeln Herstellung der kalten Masse Einbau in den Kryostaten Magnetmessung bei 1.9 K Installation im Tunnel Inbetriebnahme Operation mit Strahl
Ind
ust
rie
CE
RN
Supraleitende Kabel Supraleitende Kabel
Oktober 2003
sc Kabel für Beschleuniger vom HERA Typ
Dashb
oard
- W
WW
Supraleitende Dipolmagnete Supraleitende Dipolmagnete
Oktober 2003
Dipolmagnete (kalte Massen) warten Dipolmagnete (kalte Massen) warten auf den Einbau in den Kryostaten auf den Einbau in den Kryostaten
Histogram of the number of quenches to reach 8.33 Tesla for the f irst 53 LHC preseries dipoles
0
2
46
8
10
1214
16
18
2022
24
26
0 1 2 3 4 5 6 7 notreached
Number of quenches to reach 8.33T
Nu
mb
er o
f m
agn
ets
01 02 03
Quenchverhalten der LHC DipolmagneteQuenchverhalten der LHC Dipolmagnete
Sextupol-Dipole Korrekturmagnete – 8/2003 Sextupol-Dipole Korrekturmagnete – 8/2003
August 2003
Sextupol-Dipole Korrekturmagnete – 10/2003Sextupol-Dipole Korrekturmagnete – 10/2003
August 2003
ÜberblickÜberblick
LHC Parameter und Layout Strahlen für den LHC – die Vorbeschleuniger Magnete für den LHC Vom Komponentenbau zur Inbetriebnahme Strahlenergie und Beschleunigeroperation Schlussfolgerung
Integration und InstallationIntegration und Installation
Platz im Tunnel und in den Untergrundbereichen begrenzt Es müssen sehr viele Komponenten installiert werden 3-D Computer Modell für Tunnel und Untergrundbereiche
Installation der Kryolinie im LHC Installation der Kryolinie im LHC Tunnel – ab Sommer 2003Tunnel – ab Sommer 2003
Komplexität: eine von 1800 Verbindungen Komplexität: eine von 1800 Verbindungen zwischen zwei supraleitenden Magnetenzwischen zwei supraleitenden Magneten
Verbindungen für:
• Strahrohre• Heliumrohre• Kryostat• “Thermal shields”• Vakuumtank• Viele Supraleitende
Bewältigung der Komplexität während der Bewältigung der Komplexität während der Inbetriebnahme Inbetriebnahme
Momentum Cleaning
Betatron Cleaning
Beam dump system
RF + Beam instrumentation
Ein LHC Sektor
= 1/8
Layout des LHC: 8 Bögen, und 8 lange gerade Strecken
Von 2004 bis 2007
20052004
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2006 2007
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Herstellung von Komponenten
Installation
Strahl im Sektor 7-8 Beide Strahlen
“hardware” Inbetriebnahme
Inbetriebnahme der einzelnen Systeme Inbetriebnahme der einzelnen Systeme in einem Sektor (Vakuum, Kryogenie, Quenchschutz, Interlocks, Stromversorgungsgeräte, etc.)
Gemeinsame Inbetriebnahme aller Systems per Sektor - Gemeinsame Inbetriebnahme aller Systems per Sektor - bis zum Nominalstrom für alle elektrischen Kreise (220 Kreise pro Sektor)
ÜberblickÜberblick
LHC Parameter und Layout Strahlen für den LHC – die Vorbeschleuniger Magnete für den LHC Vom Komponentenbau zur Inbetriebnahme Strahlenergie und Beschleunigeroperation Schlussfolgerung
Kollimatoren und Schutz der MaschineKollimatoren und Schutz der MaschineC
ourt
esy
of
R. A
ssm
ann
Beschädigung von Komponenten und Quenchen von Magneten muss vermieden werden
Transversale Energiedichte ist ein Mass für mögliche Beschädigungen durch unkontrollierten Strahlverlust
Proportional zur Luminosität
Kollimatoren in IR 3 and IR 7, und in den Kollimatoren in IR 3 and IR 7, und in den anderen geraden Streckenanderen geraden Strecken
Etwa 60 Kollimatoren werden in den LHC eingebaut
um Protonen mit grossen Amplituden in Bereichen mit normalleitenden Magneten zu abzufangen
im Fehlerfall sind die Kollimatoren die ersten Elemente, die vom Strahl getroffen werden
Stahllebensdauer bei nominalem Strahlstrom (7 TeV)Stahllebensdauer bei nominalem Strahlstrom (7 TeV)
Beam lifetime
Beam power into equipment (1 beam)
Comments
100 h 1 kW Healthy operation
10 h 10 kW Operation acceptable, collimation must absorb large fraction of beam energy
0.2 h 500 kW Operation only possibly for short time, collimators must be very efficient
1 min 6 MW Failure - operation not possible - beam must be dumped
<< 1 min > 6 MW Beam must be dumped VERY FAST
Betriebsstörungen, z.B. ein Quench, gehören zur normalen Opearation und
müssen eingeplant werden
Co
llim
ato
rsB
eam
du
mp
+- 3 ~1.3 mm
Beam +/- 3 sigma
56.0 mm
Strahl in Vakuumkammer mit “beam screen” bei 7 TeVStrahl in Vakuumkammer mit “beam screen” bei 7 TeV
Teilchen müssen zuerst immer die Kollimatoren treffen!Teilchen müssen zuerst immer die Kollimatoren treffen!
Kollimatoren müssen mehr als 99.98% der Teilchen auffangenKollimatoren müssen mehr als 99.98% der Teilchen auffangen
Beam +/- 3 sigma
+/- 8 sigma = 4.0 mm
1 mm
+/- 8 sigma = 3.4 mm
Kollimatoren bei 7 TeV - Kollimatoren bei 7 TeV - LuminositätsoptikLuminositätsoptik
56.0 mm
Optimierung des KollimationssystemOptimierung des Kollimationssystem
Auslegung des Kollimatorsystems – unter Berücksichtigung von Fehlerszenarien
Es werden robuste Kollimatoren gebraucht
Anstelle von Kupfer oder Aluminium werden nun Materialien mit kleinem Z (Kohlenstoff) bevorzugt
Oktober 2004 im SPS: Test eines Prototyp LHC Kollimator
ÜberblickÜberblick
LHC Parameter und Layout Strahlen für den LHC – die Vorbeschleuniger Magnete für den LHC Strahlenergie und Beschleunigeroperation Vom Komponentenbau zur Inbetriebnahme Schlussfolgerung
SchlussfolgerungenSchlussfolgerungen
Fabrikation von LHC Komponenten ist in vollem Gange Gute Fortschritte bei der Fabrikation von Komponenten in
der Verantwortung von anderen Labors (USA / Japan / Russland / Kanada / Indien)
Installation des LHC im Gange Die Detailplanung für die Inbetriebnahme hat angefangen
Mehrere wichtige “milestones” zwischen heute und der Operation mit kollidierenden Strahlen
“Hardware Commissioning” ist von wesentlicher Bedeutung
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
Machine Advisory Committee, chaired by
Prof. M. Tigner, March 2002
L.Evans 2003
No one has any doubt that it will be a great challenge for both machine to reach design luminosity and for the detectors to swallow it
However, we have a competent and experienced team, and 30 years of accumulated knowledge from previous CERN projects has been put into the LHC design