Transverse Emittance Measurement and Preservation at the LHC

Abstract

The Large Hadron Collider (LHC) at CERN is a high energy storage ring that provides proton and heavy ion collisions to study fundamental particle physics. The luminosity production is closely linked to emittance preservation in the accelerator. The transverse emittance is the phase space density of the beam and should be conserved when the particle beam is transformed through the accelerator. Perturbing effects, however, can lead to emittance increase and hence luminosity degradation. Measuring the emittance growth is a complex task with high intensity beams and changing energies. The machine optics and the transverse beam size have to be measured as accurately as possible. Beta function measurements with k-modulation will be discussed. With this method the quadrupole focussing strength is varied and the resulting tune change is traced to determine the beta function at the quadrupole. A new k-modulation measurement tool was developed for the LHC. The fully automatic and online measurement system takes constraints of various systems such as tune measurement precision and powering limitations of the LHC superconducting circuits into account. With sinusoidal k-modulation record low beta function measurement uncertainties in the LHC have been reached. 2015 LHC beta function and β*, which is the beta function at the collision point, measurements with k-modulation will be presented. Wire scanners and synchrotron light monitors are presently used in the LHC to measure the transverse beam size. Accuracy and limitations of the LHC transverse profile monitors will be discussed. During the 2012 LHC proton run it was found that wire scanner photomultiplier saturation added significant uncertainty on all measurements. A large discrepancy between emittances from wire scanners and luminosity was discovered but not solved. During Long Shutdown 1 the wire scanner system was upgraded with new photomultipliers. A thorough study of LHC wire scanner measurement precision in 2015 will be presented. During LHC Run 1 significant transverse emittance growth throughout the LHC cycle was observed. About 30 % of the potential luminosity performance was lost through the different phases of the LHC cycle. At the LHC design stage the total allowed emittance increase through the cycle was set to 7 %. Measurements indicated that most of the blow-up occurred during the injection plateau and the ramp. Intra-beam scattering was one of the main drivers for emittance growth. In April 2015 the LHC re-started with a collision energy of 6.5 TeV per beam. This thesis presents the first transverse emittance preservation studies in LHC Run 2 with 25 ns beams. A breakdown of the growth throughout the various phases in the LHC cycle is given for low intensity beams measured with wire scanners. Also presented is data collected from synchrotron light monitors and the LHC experiments. Finally, the emittance growth results will be compared to intra-beam scattering simulations. A theory on emittance growth due to noise from the LHC transverse damper and other external sources will be discussed. The results of the investigations are summarized and an outlook in terms of emittance blow-up for future LHC upgrade scenarios with low emittance beams will be given.

Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN ist ein Hochenergie-Speicherring, in dem Protonen und Schwerionen kollidieren, um Elementarteilchen zu studieren. Die Luminositätsproduktion ist eng mit der Emittanzerhaltung in dem Beschleuniger verbunden. Die transversale Emittanz ist die Phasenraumdichte des Strahls und sollte konstant bleiben, wenn der Strahl durch den Bechleuniger transformiert wird. Allerdings können störende Effekte zum Anwachsen der Emittanz führen. Das Messen des Emittanzwachstums ist eine schwierige Aufgabe bei hohen Strahlintensitäten und sich ändernder Energie. Die Beschleunigeroptik und die transversale Strahlgröße müssen so genau wie möglich gemessen werden. Es werden Messungen der Beta-Funktion mit k-Modulation diskutiert. Mit dieser Methode wird die Quadrupol-Fokussierungsstärke variiert und die resultierende Tune-Änderung gemessen, um die Beta-Funktion an dem Quadrupol zu bestimmen. Ein neues Werkzeug für k-Modulationsmessungen im LHC wurde entwickelt. Das vollautomatische online Messsystem berücksichtigt Einschränkungen wie Tune-Messgenauigkeit und Stromversorgungsgrenzen der LHC supraleitenden Schaltkreise. Mit sinusförmiger k-Modulation wurden rekordgenaue Beta-Funktionsmessergebnisse im LHC erreicht. Es werden 2015 LHC k-Modulations- und β*, welches die Beta-Funktion am Kollisionspunkt ist, Messresultate präsentiert. Zurzeit werden Wire-Scanner und Synchrotron-Lichtmonitore im LHC zur transversalen Strahlgrößenmessung verwendet. Genauigkeit und Beschränkungen der transversalen Profilmonitore im LHC werden diskutiert. Während des LHC Protonen-Runs 2012 verursachte Wire-Scanner-Photomultiplier-Sättigung eine zusätzliche Messunsicherheit. Emittanzen, gemessen mit Wire-Scannern und abgeleitet von der Luminosität wiesen eine große Diskrepanz auf. Die Ursache konnte nicht gefunden werden. Während des langen Shutdowns (LS1) wurden die Wire-Scanner-Systeme mit neuen Photomultipliern verbessert. Eine Untersuchung der LHC Wire-Scanner Messgenauigkeit in 2015 wird präsentiert. Während des ersten LHC Protonen-Runs (LHC Run 1) wurde signifikantes Emittanzwachstum durch den LHC Zyklus beobachtet. Ungefähr 30 % der potenziellen Luminositätsleistung ging in den verschiedenen Phasen des LHC Zyklus verloren. Der Designwert für den maximalen erlaubten Emittanzanstieg durch den Zyklus ist 7 %. Messungen zeigten, dass die Emittanzen hauptsächlich während des Injektionsplateaus und der Energierampe anwachsen. Intra-Beam-Scattering gilt als einer der Hauptgründe für das Emittanzwachstum. Der LHC wurde im April 2015 mit einer Kollisionsenergie von 6.5 TeV pro Strahl wieder gestartet. Diese Arbeit präsentiert die ersten transversalen Emittanzmessungen von 25 ns Strahlen im zweiten LHC Run (LHC Run 2). Eine Aufschlüsselung des Wachstums von Strahlen mit geringer Strahlintensität, gemessen mit Wire-Scannern durch die verschiedenen Phasen des LHC Zyklus, wird dargelegt. Die Emittanzwerte werden verglichen mit Daten des Synchrotron-Lichtmonitors und aus den LHC Experimenten. Eine Theorie für Emittanzwachstum basierend auf Rauschen vom LHC transversalen Dämpfers und anderen externen Quellen wird besprochen. Die Untersuchungsergebnisse sind in dieser Arbeit zusammengefasst. Außerdem wird ein Ausblick auf Emittanzerhaltung von zukünftige LHC Upgrade-Szenarien mit kleinen Strahlemittanzen gegeben.