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