Titelaufnahme

Titel
Beam loss calibration studies for high energy proton accelerators / Markus Stockner
VerfasserStockner, Markus
Begutachter / BegutachterinFabjan, Christian ; Mantler, Michael
Erschienen2007
UmfangXI, 136 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2007
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Beschleuniger / CERN / Geant4 / HERA / Hochenergiephysik / Ionisationskammer / LHC / Protonen / Strahlverlust
Schlagwörter (EN)accelerator / CERN / Geant4 / HERA / high energy physic / ionization chamber / LHC / proton / beam loss
Schlagwörter (GND)LHC / Strahlüberwachung / Proton / Verlust / Detektion
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-14061 Persistent Identifier (URN)
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Beam loss calibration studies for high energy proton accelerators [5.03 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

CERN's nächster Beschleuniger ist der Large Hadron Collider (LHC) mit einer Injektionsenergie von 450 GeV und einer Kollisionsenergie von 7 TeV. Die Teilchen werden von supraleitenden Magneten auf zwei gegenläufigen Umlaufbahnen gehalten, welche sich in den Interaktionspunkten kreuzen. Die komplexen Magneten beinhalten beide Strahlrohre in einem Joch, innerhalb eines Kryostaten. Eine noch nie dagewesene Energie wird in den umlaufenden Strahlen und im Magnetsystem gespeichert. Der LHC übertrifft existierende Beschleuniger in seiner maximalen Strahlenergie um den Faktor 7 und in der Strahlintensität um den Faktor 23.

Bereits ein kleiner Teil verloren gegangener Strahlteilchen kann zum Verlust der Supraleitung in den Spulen der Magneten oder zur Beschädigung von Komponenten führen. Die einzigartige Kombination von extremen Strahlparametern und die hoch entwickelte, supraleitende Technologie machen es notwendig im Hinblick auf existierende Beschleuniger, ein effizienteres Strahlkonservierungssystem und ein empfindlicheres Strahlverlustmesssystem einzusetzen. Es gibt deshalb mehrere Sicherheitssysteme um den Beschleuniger vor Schaden zu schützen.

Eines dieser Systeme ist das "Beam Loss Monitoring" System, welches verloren gegangene Teilchen detektiert und ihre Anzahl bestimmt. Bei überschreiten voreingestellter Verlustschwellen generiert das System ein Signal, damit der Strahl aus dem Beschleuniger extrahiert wird. Die in erster Linie verwendeten Detektoren sind Ionisationskammern. Etwa 4000 Stück werden im gesamten Beschleuniger installiert, die meisten davon im Bereich von Quadrupolmagneten. Die Detektoren messen außerhalb der Kryostate die Ausläufer von transversalen, hadronischen Schauern, welche von verloren gegangenen Strahlteilchen induziert werden. Die Anfangskalibrierung des Strahlverlustmesssystems soll gewährleisten, dass der systematisch Fehler des Systems kleiner als 5 ist. Zur Kalibrierung des Systems und der Bestimmung der Verlustschwellen der Detektoren werden verschiedene Simulationen kombiniert:

Die Trajektorien von Strahlteilen werden simuliert, um die wahrscheinlichsten Verlustpositionen zu bestimmen. An diesen Positionen werden die hadronischen Schauer in den Magneten simuliert, um die Energiedeposition in den Spulen der Magneten und die Energiedeposition in den Detektoren zu bestimmen. Um bei Teilchenverlusten in einem kurzen Zeitintervall die maximal erlaubte Temperaturerhöhung der Magnetspulen zu bestimmen, bei welcher diese die Supraleitung verlieren, wird die Enthalpie der Kabel, das B-Feld und die Stromdichte in den Kabeln berücksichtigt. Für länger andauernde Teilchenverluste ist die maximal erlaubte Temperaturerhöhung durch den Wärmefluss im Helium und im Kupfer der Kabel bestimmt.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Wirkungsweise und der Beschreibung von Strahlverlusten und dem korrespondierenden Signal in den Strahlverlust-Monitoren. Dieses Verständnis wurde mit dem Simulieren der Signale und dem Vergleich zu Messserien erzielt. Dabei wurden die Detektoransprechfunktionen simuliert, welche einen grundlegenden Bestandteil der Systemkalibrierung darstellen. Ein weiterer wichtiger Punkt war die Bestimmung von auftretenden Ungenauigkeiten beim Simulieren von transversalen hadronischen Schauern, welche Teil des Systemkalibrierungsfehlers sind. Die Detektoransprechfunktionen wurden mit dem Monte Carlo Programm Geant4 für verschiedene Teilchenarten bei verschiedenen Teilchenenergien simuliert. Validierungsmessungen wurden am CERN mit Protonen, Gamma Strahlen und in gemischten Strahlungsfeldern durchgeführt. Mit Neutronen wurden die Ionisationskammern im "The Svedberg Laboratory" kalibriert. Der interne Protonen "Beam Dump" von HERA diente als Teststand für das gesamte LHC BLM System. Über einen Zeitraum von zwei Jahren wurde das gesamte System unter realen Beschleunigerbedingungen getestet. Dies führte zu mehreren Verbesserungen der Hard- und Software. Die parasitischen Messungen von Protonen indizierten transversalen, hadronischen Schauern, wurden mit Geant4 Simulationen verglichen.

Im abschließenden Teil wurden die entwickelten Methoden verwendet, um eine Verlustschwelle eines LHC BLM Detektors zu bestimmen. Die berechneten Werte wurden mit früher bestimmten Werten verglichen.

Zusammenfassung (Englisch)

CERN's Large Hadron Collider (LHC) is a proton collider with injection energy of 450 GeV and collision energy of 7 TeV. Superconducting magnets keep the particles circulating in two counter rotating beams, which cross each other at the Interaction Points (IP).

Those complex magnets have been designed to contain both beams in one yoke within a cryostat. An unprecedented mount of energy will be stored in the circulating beams and in the magnet system. The LHC outperforms other existing accelerators in its maximum beam energy by a factor of 7 and in its beam intensity by a factor of 23. Even a loss of a small fraction of the beam particles may cause the transition from the superconducting to the normal conducting state of the coil or cause physical damage to machine components. The unique combination of these extreme beam parameters and the highly advanced superconducting technology has the consequence that the LHC needs a more efficient beam cleaning and beam loss measurement system than previous accelerators. There are several safety systems to protect the accelerator components from damage. One of them is the Beam Loss Monitoring (BLM) system that detects and quantifies the amount of lost beam particles. It generates a beam abort trigger when the losses exceed predetermined threshold values. The principal detector type is an ionisation chamber. About 4000 detectors are being installed, mostly around the quadrupole magnets. The detectors probe the transverse tails of the hadronic showers emerging from the cryostat, which are induced by lost beam particles. The initial calibration of the BLM system should ensure that the systematic error of the system is smaller than 5. For the calibration and threshold determination several simulations are combined: Beam particles are tracked to find the most probable loss locations. At these locations hadronic showers through the machine components are simulated to determine the energy distribution in the coil of the magnet and the total energy deposition in the BLM detectors. To calculate the quench limits for short duration losses the enthalpy, the B-field and the current density in the cables is taken into account to estimate the maximal possible temperature increase. For steady state losses a possible temperature increase is mainly determined by the heat flow in the helium and in the copper of the cable.

This work focuses on the effectiveness and the characterisation of the particle losses and the corresponding detector signals. Simulating the signals and comparing those to several irradiation scenarios obtained this understanding. In the process the detector response functions were simulated, which form part of the system calibration, and the uncertainty estimation of transverse hadronic shower tail simulations were conducted, which contributes to the system calibration error. The ionisation detector response functions were simulated utilising the Monte Carlo program Geant4 for different particle types at various kinetic energies. Validation measurements have been performed at CERN with proton beams, gamma sources as well as in mixed radiation fields and at The Svedberg Laboratory (Sweden) the detector was calibrated with neutrons. The HERA internal proton beam dump served as a test bed for the LHC BLM system. Over a period of two years the whole BLM system was tested under real accelerator conditions, which resulted in several updates and upgrades of the hardware and the software. The parasitic measurements of the tails of the hadronic showers induced by the impacting protons were compared to Geant4 simulations.

The final task was to utilise the gained methods to calculate an LHC BLM detector threshold, which was compared to previously estimated thresholds.