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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-93784
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9378/


Ultra Fast Beam Loss Mechanisms at the LHC and their Detection for Use in Machine Protection

Ultra schnelle Strahlverlustmechanismen am LHC, deren Detektion und Auswirkungen auf die Sicherheit des Beschleunigerbetriebs

Stein, Oliver

pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (6.836 KB) 


SWD-Schlagwörter: Physik , CERN , LHC , Teilchenbeschleuniger
Freie Schlagwörter (Deutsch): Strahlverluste , Beschleuniger Sicherheit
Freie Schlagwörter (Englisch): beam losses , loss detection , machine protection
Basisklassifikation: 33.05
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Elsen, Eckhard (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 16.04.2018
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 12.11.2018
Kurzfassung auf Englisch: At the Large Hadron Collider (LHC) high intensity proton beams are accelerated
up to 7TeV resulting in 362MJ of stored energy in each beam. Losses of high energetic
beam particles lead to energy deposition in the accelerator components. The
deposition of a fraction of the total beam energy over a short time in the accelerator
components can cause quenches in the superconducting magnets and in the worst
case result in structural damage. Therefore, the beam losses are carefully monitored
all along the LHC. When the beam losses, and thus the energy deposition, exceeds
pre-defined limits the beam dumping system is triggered to extract the beams in a
controlled manner within 270 μs.
During the LHC operation losses were observed that occur in time scales below the
reaction time of the beam dumping system. In order to protect the LHC from these
losses the loss amplitudes have to be reduced. Therefore, it is important to understand
the loss mechanisms causing these ultra fast losses. The time structure of
these ultra fast beam losses cannot be resolved by the regular beam loss monitoring
system. In the scope of this thesis diamond based beam loss monitors (dBLMs)
were installed at the LHC, which provide nanosecond resolution and cover a wide
range of loss amplitudes. These detectors were used to perform high resolution
measurements of the ultra fast beam losses in order to identify the underlying loss
mechanisms.
The results presented in this thesis include characterisation experiments of the installed
dBLMs and the analysis of several scenarios of ultra fast beam losses during
the LHC operation. The losses during beam injection, which were limiting the LHC
operation in 2015 and 2016, will be discussed in great detail. Mitigation techniques
based on this analysis were implemented in the LHC operation and allowed to reduce
the injection losses by one order of magnitude.
Kurzfassung auf Englisch: Im Large Hadron Collider (LHC) werden Protonenstrahlen mit Intensitäten von
mehr als 3.2e14 Teilchen pro Strahl auf bis zu 7 TeV beschleunigt. Bei maximaler
Energie und Intensität sind 362MJ pro Protonstrahl gespeichert. Der Verlust von
hoch energetischen Teilchen führt zu Energiedeposition in den Beschleunigerkomponenten.
Schon der Verlust von Bruchteilen der gespeicherten Strahlenergie über
eine kurze Zeit kann zum Verlust der Supraleitfähigkeit der Magnete führen, oder
im schlimmsten Fall zu strukturellen Schäden. Daher werden die Strahlverluste
während des Betriebs entlang des gesamten Beschleunigers genau beobachtet. Falls die Verluste vorher festgelegte Grenzwerte überschreiten wird ein Strahlabbruch eingeleitet. Die Teilchenstrahlen werden dann innerhalb von 270 μs sicher aus dem LHC extrahiert. Während des Beschleunigerbetriebs wurden Teilchenverluste beobachtet, die schneller auftreten als die Strahlen aus dem LHC extrahiert werden können. Die Zeitstruktur dieser ultra schnellen Verluste kann mit den herkömmlichen Strahlverlustmonitoren nicht aufgelöst werden. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit diamantbasierte
Verlustmonitore installiert, die eine zeitliche Auflösung im Nanosekundenbereich bieten und auf Grund eines weiten dynamischen Bereich die Erfassung von Signalen mit sehr unterschiedlichen Amplituden erlauben. Die Analyse des zeitlichen Verlustverlaufs gibt Aufschluss über die zu Grunde liegenden Verlustmechanismen.
In dieser Arbeit werden zunächst die Ergebnisse von Effizienzmessungen der diamantbasierten Detektoren präsentiert. Des Weiteren werden verschiedene Szenarien von ultra schnellen Verlusten und deren Ursachen vorgestellt. Im Speziellen werden Injektionsverluste betrachtet, die auf Grund ihrer hohen Teilchenverlustraten Strahlabbrüche ausgelöst und somit den Beschleunigerbetrieb beeinträchtigt haben.
Die Messungen haben zum ersten Mal im Detail gezeigt, dass der ankommende
Strahl vor und nach dem eigentlich zu injizierenden Zug von Teilchenpaketen weitere ungewollte Teilchen aufweist. Diese passieren die Injektionsmagnete, whärend sich die Felder dieser Magnete verändern. Die resultierende fehlerhafte Ablenkung der Teilchen führt zu deren Verlust an den Absorberblöcken in der Injektionsregion.
Als eine weitere Ursache für Injektionsverluste sind Teilchen, die außerhalb
der bereits gef¨ullten Regionen im LHC zirkulieren. Diese passieren die Injektionsmagnete während der Injektion des neu ankommenden Strahls und werden durch die Magnetfelder abgelenkt. Basierend auf den in dieser Arbeit identifizierten Verlustmechanismen wurden Techniken entwickelt, die in den Betriebsablauf des LHC mit aufgenommen wurden und in einer Reduzierung der Injektionsverluste von einer Größenordnung resultierten.

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