Basic Layout of the Machine

Transkript

1 Die neue HERA: Status der Maschine nach dem Lumi-Upgrade Bernhard Holzer, MHE HERA Statue mit Kopf... Historischer Überblick... Aufbau eines Hochenergie-Speicherrings...Umbaumaßnahmen...Erste Ergebnisse und Messungen am Strahl Basic Layout of the Machine H1 Hermes HERA is a double ring collider: two independent storage rings 4 straight sections for experiments collision of protons & electrons at two interaction regions (North/South) internal gas target at IR East internal wiretarget at IR West Hera-B ZEUS 1

2 HERA History 1981 Proposal for a e/p collider at DESY 1984 Start of construction 1988 Commissioning of the electron storage ring 1991 Commissioning of the proton storage ring Oct First e/p collisions 199 Detectors H1 & ZEUS on beam 1994 Installation of Spin rotators in section east 1995 HERMES Experiment 1996 HERA-B Experiment 1998 Proton energy increased to 90 GeV 1999 Design luminosity 000 L 10 ^31 cm^- sec^-1 HERA Parameter 4 s.c. dipole magnets 4 s.c. main quads, 400 s.c. correction quads 00 s.c. correction dipoles > 1000 n.c. electron magnets Circumference: 6.3 km Proton Beam: Injection Energy 40 GeV Lumi-Energy 90 GeV Electron Beam: Injection Energy 1 GeV Lumi Energy 7.5 GeV Magnetic field p-ring: 5.1 Tesla at I=5500 A for 90 GeV

3 Resumé nach 10 Jahren Betrieb * Steigerung der Intensität * Betrieb mit 4 Experimenten * Longitudinale Polarisation * Steigerung der Effizienz * Erhöhung der Protonen-Energie: GeV Steigerung der Luminosität durch Verkleinern von β* Lattice design of a high energy storage ring: Arc: FoDo Structure regular (periodic) magnet structure, bending, main focusing tune control, chromaticity correction, higher order corrections Dispersion suppressor in horizontal plane: missing bend scheme in vert. plane non-dispersive S-shape deflection Interaction area: low beta insertion of both beams, beam separation, light collimation 3

4 Luminosität bei aller Liebe: eine Formel muss erlaubt sein p-bunch 7*10^10 Teilchen e-bunch WWP σ 3*10^10 Teilchen L = 1 4π e I e I p * f u b σ x σ y Lumi- Upgrade Der Lumi-Upgrade Stärkere Fokussierung der beiden Strahlen Kleinere β Funktionen an den Wechselwirkungspunkten stärkere Quadrupol Magnete Unterschiedliche Energien von e- und p-strahl getrennte Behandlung der beiden Strahlen schnellere Strahltrennung nach der Kollision Kleinere Ablenkradien im Bereich der Wechselwirkungs-Zone: mehr Synchrotron Strahlung Ziel: Deutliche Erhöhung der Leisungsfähigkeit (i.e. Kollisionsrate) durch Erhöhung der Teilchendichte an den Kollisionspunkten N&S (Faktor 4) 4

5 Upgrade Parameter Tabelle Energie (GeV) I(mA) N pro Bunch n_ges n_koll βx βy εx σ_x σ_y L 0 L sp HERA / / 100 ma 3.5 / 7.3 * / / 7.0 m 0.6 / 0.5 m 41 / 5.1 nm 190 μm 50 μm 1.7* *10 9 Upgrade 7.5 / / 140 ma 4.0 / 10.3 * / /.45 m 0.6 / 0.18 m 0 / 5.1 nm 11 μm 30 μm 7* *10 30 Beteiligte DESY Gruppen MPY/MHE: Maschinenphysik, Optik Rechnungen, Synchrotronlicht ZR: Organisation, Koordinierung der Arbeiten im Tunnel ZBAU, ZMEA: Aufbau & Installation des neuen Lattice im Tunnel ZMEA: Vermessung / Justierung der neuen Strecken, ARENA MKS: Installierung der neuen supraleitenden Magnete Quench-Protection: Überwachung der neuen s.c. Magnete MPL: Konstruktion (Brücken) Magnetmessgruppen: Holler et al, Brück et al MKK: Neue Netzgeräte, neue Stromversorgung und Kühlung MVA/MVP: Vakuumsystem von 0m m komplett neu gebaut MKI: Kontrolle der neuen Hardware, Spezialprogramme (GM, Cal etc) MHF: Demontage und Reinstallation von Komponenten ZEUS/H1: neue Lumi-Messung, neue Detektor-Komponenten, neue Untergrund-Detektoren BNL: neue supraleitende Magnete Efremov: neue normalleitende Magnete externe Firmen Magnete, Spulen etc. 5

6 1.) Abbau der alten Lattice-Struktur Demontage aller bisherigen Magnete in den beiden WWZ (0 m m) Abbau der alten Magnetgestelle, Kabel, Wasserkühlungen Demontage des gesamten Vakuumsystems in diesem Bereich.) Vorbereitungen für den Aufbau des neuen Lattice Aufbau der Infrastruktur: Haupt- Kühlwasser Leitungen, Stromkabel Vorbereitung der Magnetstützen Vermessen der neuen Magnetpositionen 6

7 3.) Stärkere Fokussierng Stärkere Quadrupollinsen: σ = 190 μm 11 μm neue stärkere Magnete Starpferd: GN: 30 T/m (vgl. QR: T/m) 4.) Kompakte Bauweise Starke Fokussierung zweier unterschiedlicher Strahlen Vor-Montage der Komponenten auf Brücken, die vom Tunnelende bis an den Detektor heranreichen Installation der gesamten Struktur mit Magneten, Verkabelung, Wasseranschlüssen etc. Hohe Packungsdichte in der Nähe des IP 7

8 5.) Kurzer Abstand zum IP!! 1 L * * σ * σ x y * σ * = ε β β ( s) = β + s * β 1.) Installation der ersten magnetischen.) Intergation der ersten Magnete in den Linsen so früh wie möglich nach dem Detektor! Kollisionspunkt. 3.) Betrieb dieser Magnete im Solenoidfeld 4.) Schnelle Separation der beiden der Expermente Strahlen, Kombinierte Fokussierung und Ablenkung von e & p Strahl in den low-beta-quadrupolen Montage des ersten supraleitenden Elektronen Quadrupols im H1 Detektor Ziel: Kompakte Bauweise, Betrieb im Solenoidfeld, Integration von 5 Magneten in einem Kryostaten. (Quadrupol, hor. & vert. Dipol, 6pol, skew Quad) 8

9 5.) Kurzer Abstand zum IP!! Wegfall des Solenoid-Kompensations Magnetes in H1 und ZEUS Platz für die neuen Mini-Beta Magnete Kompensaton der Solenoid Kopplung durch geeignete Skew-Quadrupol-Magnete transversale Polarisation des e-strahls wird durch das lokale Solenoid-Feld der Detektoren gestört. Einbau der Spin-Rotatoren in den WWZ Nord & Süd Einbau der Spin Rotatoren N & S Die ägyptische Methode 9

10 Schnelle Strahltrennung Schnelle Strahltrennung 10

11 Schnelle Strahltrennung Gemeinsames Vakuumsystem von e&p Strahl im Bereich der Brücken Strahlführung unmittelbar nach der Trennung der Vakuumsysteme 7.) Synchrotron Strahlung Schnelle Strahltrennung: grosse Kräfte auf den e-strahl, kleine Biegeradien R P s = e c 6 πε ( m 1 c E R 4 Synchrotron Strahlungs Leistung 0 0 ) 4 Δ E = e 3 ε ( m 0 0 c ) 4 E R 4 Energieverlust pro Umlauf ω c = 3 c γ R 3 typische Frequenz des abgestrahlten Lichtes 11

12 7.) Synchrotron Strahlung Synchrotron-Lichtfächer des Positronenstrahls Beim Durchlaufen der neuen Wechselwirkungszonen Süd / Nord strahlen die Teilchen insgesamt eine Leistung ab von ca. P ges. = 30 kw 1

13 Synchrotron Strahlung kritische Wellenlänge nm kritische Energie in kev BI01 BN1 BO09 GG01 GO QL Synchrotron Strahlung Durchführen der Upstream- entstandenen Strahlung durch das Experiment, Kontrolle des Lichtfächers mit neuer Diagnose Absorption der γ s in speziellen gekühlten Absorbern Integrierte Temperatur Messung zur Kontrolle des Lichtfächers 13

14 Das GI-Problem Anfahren eines Speicherrings: Setzen der theoretisch berechneten Magnetströme für Quadrupol- Linsen und Dipolmagnete Optimieren des Transfers vom Vorbeschleuniger Injektion/ Optimieren des Orbits im ersten Umlauf Lenken des Strahls durch gezielte Orbitkorrekturen um die Maschine Korrektur der Differenz von Strahllage und Winkel am Ende des ersten Umlaufs bzgl des Anfangs des ersten Umlaufs. In einem Speicherring muss der Strahl dann speichern eigentlich Fädeln des ersten Strahls in HERA-e: Injektion: WR 300m Wechselwirkungs Zone Nord: Quadrupol-Linse GI Sprunghaftes Abwachsen der Schwinungsamplitude in hor. Richtung, Plötzlich entstehende vertikale Schwingung Kick in der hor. Ebene Orbit Problem Kopplung von hor. In die vertikale Ebene Optik-Problem 14

15 ... Lokalisierung der Fehlerquelle: GI Magnet Bohrung einer Durchführung um die Kabel- Anschlüsse zu erreichen Kurzgeschlossener Leiter am Spulenanschluss durch verbogenen Kühlwasseranschluss. 15

16 Das Arena Problem Die Color-Line Arena im Hamburger Volkspark es gibt da zwei Probleme: 1.) KV. 186 a, Synph. A Dur.) Erdarbeiten oberhalb der beiden HERA Ringe: Entfernen von Erdreich zum Vorbereiten der Fundamente Vergiessen der Fundamente und Aufbau der Arena Veränderliche Last über dem Tunnel 7mm 350 m 16

17 8.) Optik Messungen 1. Gespeicherter Strahl in allen Files : 40, 150, 300, 680, 80, 90 GeV, Lumi. Optimieren von Orbit, Strahlverlusten, Strahlparametern 3. Messung der Strahl-Optiken GI07 SL, mit Saettigung 0.3 y = x ΔQ = * n* Δk * β dl 4* π 1 ΔQ = * n* Δk * β * L 4* π k*l Qx, Qy Optik Messungen Erste Optik Messung im Lumi- File: Fehler Δβ/β = 300% Falsche Kalibrierung einer Quadrupol Linse Korrektur des Magnetstroms Aktueller Stand: Abweichungen in der Strahlgröße: %, in beiden Speicherringen 17

18 9.) Luminosität Erste Testkollisionen im Oktober 001 Suche nach Luminosität in beiden Experimenten Ereignisrate am H1 Luminositäts Detektor (willkürl. Einheiten) Steigerung der Rate beim Variieren der transversalen Strahlposition des p-trahls bzgl. des e-strahls. Strahl-Studien: Luminosität Messung der spezifischen Luminosität Kollision der beiden Strahlen mit gegenseitigem transversalen Abstand, Lumi- Scan, Messung der (unkalibrierten) Ereignisrate durch die Experimente L abs 1 = 4π e * fub Ie I p x σ σ y Experimentell gemessen L spec 1 1 = * 4π e fu σ xσ y theoretischer Wert : L spec = 1.8*10 30 cm sec 1 ma 18

19 Aktuelle Situation: Untergundstudien Synchrotronstrahlungs Untergrund in den neuen WWZ ist kritisch. Derzeit limitiert die Untergrundrate die in HERA akkumulierte Intensität. Messung der Lage des Strahls bzgl. der Quadrupol Achsen... Ein ausser Achse stehender Quadrupolmagnet lenkt den Teilchenstrahl ab... Und produziert damit zusätzliches Synchrotronlicht. Beam Based Alignment (BBA). Messung der Strahllage in den Quadrupolen der WWZ durch Variieren der Linsenstärke. Offset Offset k*l Δ k*l Optimierung von Strahllage und winkel am IP anhand von Experimente-Daten: Beispiel: H1 SpaCal Messung zur Minimierung des Synchrotron- Licht Untergrundes Optimierung am Strahl 19

20 Aktuelle Situation: Alle relevanten Files etabliert, Rampe beider Strahlen ohne Probleme (!) Neue Magnete funktionieren bei allen Energien Strahlstudien: Optiken o.k. (!!) Spez. Luminosität: o.k.,sehr nah am theor. erwarteten Wert (!!!) Injektion e & p: o.k.... muss noch besser werden ABER Untegrundprobleme in beiden Experimenten hohe Beeinträchtigung der Detektoren H1 und ZEUS durch Synchrotronlicht Problem der Magnet-Aufstellung BBA Studien Konstruktion zusätzlicher Synchrotronlicht Kollimatoren Optimierung von Strahllage & Winkel links vom Experiment Resumé: beide HERA Speicherringe sind in Betrieb Strahldimensionen stimmen gut mit den theoretisch erwarteten Werten überein (im Bogen und an den IP s) alle benötigten Zustände wurden mit Strahl etabliert und optimiert (Injektion, Beschleunigung, Parkposition, Luminosität) erste Kollisionen in Testbetrieb zeigen fast die erwartete Kollisionsrate Weiteres Vorgehen... Untergrund Optimierung (ZEUS) Reproduzierbarkeit der Orbits, d.h. der Lage von Strahlteilchen und Synchrotronlicht-Fächer Polarisationstunes (d.h. Optimierung der e-strahlparameter für HERMES) Höhere Intensität höhere absolute Luminosität 0

21 Appendix: Saturation effect of the magnets QR14 and GA: Typ QR Strom (A) -10 Feldfehler (%) Saettigung (%) GA Current at Luminosität: I=483 A Strom (A) Current at Luminosität: I=48 A 1