Titelaufnahme

Titel
Protecting the ALICE experiment against beam failures / von Heinrich Schindler
VerfasserSchindler, Heinrich
Begutachter / BegutachterinFabjan, Christian ; Riegler, Werner
Erschienen2008
Umfang85 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2008
Anmerkung
Zsfassg. in dt. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)ALICE / Strahlfehler / Diamantdetektor / Beam Condition Monitoring
Schlagwörter (EN)ALICE / beam failures / diamond detectors / Beam Condition Monitoring
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-13808 Persistent Identifier (URN)
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Protecting the ALICE experiment against beam failures [13.37 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die in den Experimenten am LHC (Large Hadron Collider) herrschenden Strahlungsfelder stellen eine beträchtliche Herausforderung an die Strahlungshärte der Detektoren und Elektronikkomponenten dar.

Aufgrund der reduzierten Luminosität ist die gesamte Strahlenbelastung im ALICE Experiment verglichen mit den Mehrzweckexperimenten ATLAS und CMS zwar relativ moderat, der durch Strahl-Restgas-Wechselwirkungen und den sogenannten Strahl-Halo verursachte Strahlungshintergrund spielt andererseits eine vergleichsweise größere Rolle. Da die Minimierung der Strahlenbelastung eine Voraussetzung für optimale Detektorperformance darstellt, müssen Strahlverluste in der Nähe des Experiments und die damit verbundenen hohen Dosisraten vermieden werden.

Die den Strahlverlusten unterliegenden Mechanismen wurden in der vorliegenden Arbeit im Hinblick auf ihre Auswirkungen auf das ALICE Experiment untersucht. Fehler bei der Strahlinjektion werden vermutlich mehrmals pro Jahr auftreten. Spezielle Absorberstrukturen sind vorgesehen, um in diesen Fällen den fehlgelenkten Strahl zu entschärfen, dennoch kann unter ungünstigen Umständen die Dosisrate in ALICE kurzzeitig enorm ansteigen. Ein Vergleich der simulierten Energiedeposition in den ALICE Detektoren mit Resultaten der von den Detektorgruppen durchgeführten Bestrahlungstests legt nahe, dass für dieses Szenario keine gravierende Beeinträchtigung zu erwarten ist.

Mögliche Auftrefforte von Protonenstrahlen, die aufgrund falscher Ablenkwinkel der Orbitkorrektur- oder Dipolmagnete nahe des Experiments von ihrer nominalen Bahn abweichen, wurden berechnet. Da die Einstellungen dieser Magnete durch das Beam Interlock System überwacht werden, sollten derartige Fehler jedoch weitgehend ausgeschlossen sein.

Während der Zirkulationsphase der Protonenstrahlen bauen sich Strahlverluste typischerweise auf einer Zeitskala von einigen LHC Umkreisungen auf. In praktisch allen erdenklichen Szenarien sind die Experimente im Wesentlichen durch das Beschleunigerschutzsystem geschützt. Dieses ist in der Lage, innerhalb weniger hundert us einen sog. Beam Dump auszulösen, sodass die Protonenstrahlen in kontrollierter Weise extrahiert werden noch bevor die Intensität der Strahlverluste eine schadenskritische Grenze erreicht. Ergänzend haben die Experimente eigene, an das Beam Interlock System angebundene, Beam Condition Monitoring (BCM) Systeme auf der Basis von Diamantdetektoren entwickelt, um etwaige kritische Strahlkonditionen und unvorhergesehene Änderungen des Strahlungsfeldes frühzeitig zu erkennen.

Um die Qualität der für das ALICE BCM erworbenen polykristallinen CVD Diamanten zu evaluieren, wurden Charakterisierungstests durchgeführt. Die gemessene Charge Collection Distance (ein Maß für den Wirkungsgrad der Ladungsträgerdetektion) bei einem angelegten elektrischen Feld von 1 V/um lag typischerweise im Bereich von 200 - 250 um in Übereinstimmung mit in der Literatur angegebenen Werten. Das gemessene Rauschsignal der meisten Sensoren war hinreichend niedrig (< 50 pA) sodass keine wesentliche Beeinträchtigung der Detektorfunktionalität durch zu hohe Dunkelströme zu erwarten ist. Die Wirkungsweise des Detektors wurde in einem Bestrahlungsexperiment mit hochenergetischen Pionen unter Verwendung eines Detektorprototypen qualitativ nachgewiesen.

Um die Größenordnung der unter Normalbedingungen zu erwartenden Detektorströme abzuschätzen, wurden Simulationen durchgeführt, wobei die relevanten Strahlungsquellen im Experiment berücksichtigt wurden. Das mittlere Signal liegt im Bereich zwischen 50 und 300 pA je nach der Position des Sensors entlang des Strahlrohrs, wogegen im Falle eines Strahlfehlers um etwa drei Größenordnungen höhere Signale zu erwarten sind. Auf der Grundlage dieser Simulationen und unter Berücksichtigung der praktischen Gegebenheiten wurden drei Positionen für die BCM Stationen festgelegt.

Die Diamantsensoren wurden in kompakte Detektormodule integriert, welche ihrerseits auf einer auf dem Strahlrohr befestigten Halterung montiert werden. Die Funktionalität der Elektronik sowie die Erfordernisse an das Kontrollsystem sind konzeptionell definiert, einige Aspekte der konkreten Umsetzung sind jedoch noch auszuarbeiten. Die Installation und Kommissionierung des BCM wird in naher Zukunft abgeschlossen werden, um für die Inbetriebnahme des LHC einsatzbereit zu sein.

Zusammenfassung (Englisch)

The harsh radiation environments at the LHC experiments represent a sizeable challenge for the radiation tolerance of the detectors and electronics. Whereas the total radiation load in the ALICE experiment is relatively moderate compared to the general-purpose experiments ATLAS and CMS owing to the reduced luminosity, the background from beam-gas events and the so-called beam halo is comparatively more relevant. As the minimization of the radiation load is a prerequisite for optimum detector performance, beam losses close to the experiment and the associated high dose rates are to be avoided.

The mechanisms of beam losses have been reviewed and analyzed with respect to their effects on the ALICE experiment. Beam failures due to unavoidable errors at injection are expected to occur several times per year. The missteered beam is, in principle, supposed to be caught and attenuated by dedicated beam stoppers upstream of the experiment. In some situations, however, the dose rate in the experiment can increase enormously for a short period of time. A comparison of the simulated resulting energy deposition in ALICE detectors in the worst-case scenarios with radiation damage tests carried out by the detector groups indicates that such failures would not cause severe damage.

The impact locations of beam losses caused by wrong bending angles of the orbit corrector and dipole magnets close to the experiment were calculated.

Failures of this kind will, however, be exceedingly difficult to produce since the settings of these magnets are foreseen to be monitored by the beam interlock system.

Failures with circulating beam typically build up on a time scale of several LHC turns. In practically all conceivable scenarios the experiments are to a great extent protected by the LHC machine protection system which is able to initiate a beam abort within a few hundred us such that the beams are safely extracted before causing damage to equipment. In addition, the experiments have foreseen dedicated Beam Condition Monitoring (BCM) systems based on radiation detection with synthetic diamond pads which are part of the LHC Beam Interlock System and are meant to detect unfavourable beam conditions and unanticipated changes of the radiation environment.

In order to characterize their performance the polycrystalline CVD diamond sensors purchased for the ALICE BCM were subjected to several tests. The measured charge collection distances were typically between 200 and 250 um at a bias of 1 V/um in agreement with the values reported in the literature. The noise of most sensors was found to be sufficiently low (< 50 pA) such that the functionality of the system is expected not to be impaired by too large dark currents. A beam test with high-energetic pions using a prototype module gave evidence that the detector works qualitatively as expected.

Simulations were performed to estimate the diamond signals to be expected under normal conditions taking the relevant sources of radiation in the experiment into account. The average signal, which varies with the position along the beam pipe, is in the range of 50 - 300 pA, whereas in case of a beam accident the signal is expected to be about three orders of magnitude larger. Based on these simulations and guided by practical constraints, three locations for the BCM stations were selected. The diamond sensors were integrated into compact detector modules to be attached to support structures on the vacuum chamber.

Conceptually, the functionality of the readout electronics and the requirements for the slow control are defined though several aspects of the detailed implementation remain to be worked out. Installation and commissioning of the BCM will be completed in the near future such that the system will be ready for operation at the LHC start-up.