Anwendungen von Diamantdetektoren am LHC und CMS Kurzbericht des Arbeitsgebietes
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- Felix Lehmann
- vor 7 Jahren
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1 Anwendungen von Diamantdetektoren am LHC und CMS Kurzbericht des Arbeitsgebietes Maria Hempel Herbstschule für Hochenergiephysik Kloster Maria Laach,
2 Inhalt > Einführung zum Large Hadron Collider > Herausforderungen am LHC > Teilchenbewegung im LHC > Ionisationskammern und Diamantdetektoren > Unidentified Falling Objects UFOs > Injektionsverluste > Luminositätsmessungen Maria Hempel Herbstschule für Hochenergiephysik Seite 2
3 Large Hadron Collider > LHC der Teilchenbeschleuniger: Ort: Genf Umfang: 27km 100m im Untergrund > Beschleunigung und Speicherung von Teilchen Protonen oder schwere Ionen > verwendeter Teilchenimpuls: 4TeV/c > ¹¹ in einem Paket (bunch) > Anzahl der Teilchenpakete (2012): 1380 > zeitl. abstand der Teilchenpakete (2012): 50ns > Umlaufzeit: 89µs 50ns > Abort Gap für Strahlabbruch: 3µs Bunch train Pre-Accelerator Abort Gap 3µs Maria Hempel Herbstschule für Hochenergiephysik Seite 3 1ns
4 Herausforderungen beim LHC Betrieb > gespeicherte Energie pro Strahl in 2012: 130MJ 35kg TNT, 150km/h schneller TGV oder 4kg Schweizer Schokolade > Strahlverluste lagern die Energie in Anlagenteile ab mj/cm³ quenchen von supraleitenden Magneten (Übergang von Supraleitung zur normal Leitung) Große Strahlverluste zerstören Materialien > Schutz der Anlagenteile > Abfangen der Strahlverluste > zu große Strahlverluste führen zum Strahlabbruch Maria Hempel Herbstschule für Hochenergiephysik Seite 4
5 Strahlverluste im LHC > Ursachen der Strahlverluste: während Injektion vom Vorbeschleuniger zum LHC und Strahlabbruch Streuprozesse mit Restgasteilchen Streuprozesse mit Staubteilchen (Unidentified Falling Objects UFOs) Kollisionsen > Beobachtung der Strahlverluste > Stoppen Strahlverluste Strahl Kollimator Kollimator Maria Hempel Herbstschule für Hochenergiephysik Seite 5
6 Collimator Teilchenbewegung im Ringbeschleunigern > Teilchen werden durch Magnet gesteuert (Dipole und Quadrupole) > Teilchen bewegen sich auf Trajektorien um den Ring Ideale Trajektorie ist eine geschlossene Kurve (closed orbit) > magnetische Felder mit Abweichungen Abweichung vom closed orbit Teilchen oszillieren um den closed orbit (Betatronoszillation) > Streuprozesse führen zu Amplitudenerhöhung > Abfangen der Teilchen mit zu großen Amplituden Betatron Oszilation Amplitude (abhängig von Magnetstruktur) x s = u s cos (Ψ s + Φ) x(s) Phase ψ Maria Hempel Herbstschule für Hochenergiephysik Seite 6
7 Beobachtung der Strahlverluste > Beobachtung der Verluste im gesamten LHC Ring > bei zu hohen Verlusten folgt Strahlabbruch > zwei verschiedene Monitore: Ionisationskammern (Gas) Diamantsensoren (Festkörper) > Signalentstehung durch Ionisationprozess im Festkörper oder Gas Bethe-Bloch Gleichung Maria Hempel Herbstschule für Hochenergiephysik Seite 7
8 Ionisationskammern > 3600 Ionisationskammern um den LHC Ring > gefüllt mit Stickstoff und Al Elektroden > Größe: 50cm x 9cm > Zeitauflösung: 40µs Keine Information zu Verlusten bei einzelnen Teilchenpaketen > Signalmessung Vergleich mit einem Grenzwert Strahlstop bei Überschreitung [From B. Dehning Paper in IEEEXplore Beam Loss Monitoring System for the LHC ] Maria Hempel Herbstschule für Hochenergiephysik Seite 8
9 Diamantdetektoren > Festkörperionisationskammer > basierend auf Ein- und Mehrkristallinen CVD Diamanten (scvd und pcvd) > Größe: 5mm x 5mm (scvd) oder 1cm x 1cm (pcvd) > Zeitauflösung: ~1ns pcvd at LHC ring Verluste pro Teilchenpaket messbar > Strahlungshart und kaum Leckströme bei 25 C scvd at LHC ring Maria Hempel Herbstschule für Hochenergiephysik Seite 9 Diamonds inside CMS
10 Strahlverluste durch UFOs > UFOs sind Staubteilchen > Größe: µm > UFOs fallen von oben in den Strahl > Streuprozesse zwischen Protonen und UFOs [Von T. Baer Proceeding of IPAC2011 UFOs in the LHC ] Gemessen mit Ionizationskammer Zeitauflösung: 40µs Inelastisch (lokalisierte Strahlverluste) Elastisch (Strahlverluste über mehrere LHC Runden) > Verluste sind gaußförmig Über mehrere LHC Runden > Verluste können zu Strahlabbruch führen Eine Auflösung der Verluste pro Bunch (50ns Abstand) ist nicht möglich mit Ionisationskammern! Maria Hempel Herbstschule für Hochenergiephysik Seite 10
11 UFO Simulationen > UFOs erzeugen Verluste an verschiedenen Punkten im LHC Unter kleinen Winkel elastisch gestreute Teilchen > Simulation der elastischen Streuung und der Verlustpositionen > Simulation durch Messung mit Ionisationskammern bestätigt Aussortierung von Teilchen mit abweichenden Impuls Strahlabbruch Entstehungsort des UFOs Absorption von Teilchen mit abweichender Amplitude Maria Hempel Herbstschule für Hochenergiephysik Seite 11
12 UFO Messungen mit Diamantsensoren > Beobachtung eines großen UFOs mit Diamantsensoren > Die Bunch Konfigurations ist sichtbar Strahlabbruch Zoom Maria Hempel Herbstschule für Hochenergiephysik Seite 12
13 UFOs Gemessen mit Diamantsensoren Zoom > klare Bunch Struktur sichtbar > Verluste in jedem Bunch In Simulationen vorhergesagt > zusatzliche Verluste bei Strahlabbruch Maria Hempel Herbstschule für Hochenergiephysik Seite 13
14 Injektionsverluste Gemessen mit Diamantsensoren > Injektion von 12 Bunches vom Vorbeschleuniger zum LHC > Strahlverluste bei Injektion Ursache: Injektions Oszillationen Teilchen befinden sich nicht auf dem closed orbit > Ungebündelte Teilchen gehen verloren Ursache: Reste vom Pilotstrahl & Anlaufzeit vom Injektionsmagneten hl/teststrahl Ungebündelte Teilchen LHC Ring Injektionsmagnet Injektion vom Vorbeschleuniger Maria Hempel Herbstschule für Hochenergiephysik Seite 14
15 Luminositätsmessungen mit Diamantsensoren > Luminosität in CMS durch Hadron Forward Calorimeter (HF) gemessen > Diamantsensoren innerhalb von CMS können auch Luminosität messen (BCM1F) BCM1F als unabhängiges Luminometer Misst unabhängig von CMS Auslese > sehr gute Übereinstimmung > Plan: Bunch für Bunch Lumi Maria Hempel Herbstschule für Hochenergiephysik Seite 15
16 Zusammenfassung > exellente zeitl. Auflösung: ~1ns > Strahlverluste können pro Bunch bestimmt werden Besseres Verständis der Mechanismen > Verständnis von UFOs Simulation von örtlichen Verlusten Übereinstimmung mit Messung > Verlustmessungen während Injektion zeigten das erste Mal ungebündelte Teilchen > Luminositätsmessungen wurden demonstriert > Diamanten sind vielseitige einsetzbar Maria Hempel Herbstschule für Hochenergiephysik Seite 16
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