Der LHC Beschleuniger: Technologie an der Grenze des Machbaren Rüdiger Schmidt - CERN

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1 Der LHC Beschleuniger: Technologie an der Grenze des Machbaren Rüdiger Schmidt - CERN Berlin Oktober 2008 Energie und Kollisionsrate Der relativistische Hammerwerfer Technologie und Komplexität Gespeicherte Energie Inbetriebnahme R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 3

2 Energie und Kollisionsrate Die Teilchenphysik braucht Kollisionen von Protonen (Wasserstoffkerne) mit einer Energie weit oberhalb von 1TeV (10 12 ev = 1Million 1Million ev) In einer Fernsehröhre werden Elektronen auf etwa ev beschleunigt Um seltene Ereignisse zu beobachten, sollte die Kollisionsrate bei 10 9 / Sekunde pro Experiment liegen Außerdem sollen Schwerionenstrahlen (z.b. Blei) kollidieren R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 4

3 LEP e+e- ( ) Tunnel mit einem Umfang von 26.8 km LHC Beschleuniger (etwa 100m unter der Erde) Schweiz Genfer See LHC Entwicklung seit den 80er Jahren Offizieller Projektstart 1995 Installation zwischen 2003 und 2008 Protonenstrahlen kollidieren in vier Punkten ALICE CMS CERN Prevessin SPS Beschleuniger ATLAS LHCb Frankreich CERN Hauptgelände R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 5

4 Der relativistische Hammerwerfer Die Protonen werden auf die Energie von 7 TeV beschleunigt.und mit starken Magnetfeldern auf einer Kreisbahn gehalten Energie 7 TeV 20 min 450 GeV Zeit Zur Beschleunigung laufen die Protonen etwa 7 Millionen mal um, und werden bei jedem Umlauf mit einer Spannung von etwa 1 Millionen Volt beschleunigt R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 6

5 Für die Kreisbahn braucht es 1232 supraleitende Ablenkmagnete bei 1.9 K, jeweils 15 m lang ausserdem viele andere Magnete,, um die Teilchen für viele Stunden stabil auf der Bahn zu halten (1700 Hauptmagnete und etwa 8000 Korrekturmagnete) Quadrupolmagnet Querschnitt eines Dipol / Ablenkmagneten in der Ausstellung R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 7

6 Ablenkmagnete werden in den Tunnel abgesenkt März April 2007 R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 8

7 Einfang von Surfern durch eine Welle zur Beschleunigung siehe Ausstellung: Salatschüsselbeschleuniger R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 9 9

8 Für die Beschleunigung braucht man hohe Spannungen, die durch Radiowellen erzeugt werden 16 supraleitende Hochfrequenzeinheiten mit 16 Millionen Volt R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 10

9 Beispiele technologischer Herausforderungen R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 11

10 Magnete und Kühlung Supraleitende Magnete mit hohem Feld (8.3 Tesla) in superflüssigem Helium bei 1.9 K (entspricht C und hat eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit) auf einer Länge von etwa 20 km kälter als anderswo im Universum Kälteanlage zur Kühlung bei 1.9 K, 4.5 K und höheren Temperaturen R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 12

11 Komplexität des Beschleunigers 18 von etwa 1600 Stromzuführungen mit Hochtemperatursupraleitern für ~10000 Magnete und ~1700 elektrische Kreise mit hohem Strom, der mit einer Präzision vom ~1/ geregelt wird R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 13

12 Verbindung zwischen zwei Hauptmagneten (insgesamt gibt es 1700 solcher Verbindungen) R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 14

13 Vakuumsysteme Ultrahochvakuum für Strahlrohr Isoliervakuum für die Kryostaten Strahlrohr mit Innenschirm 56.0 mm weniger Atome pro Volumen als auf der Mondoberfläche Teilchenstrahl ~1.3 mm R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 15

14 Viele Kollisionen brauchen viele Teilchen und kleine Strahlen In jedem Strahl etwa 3000 Teilchenpakete mit je 100 Milliarden Protonen und ein Strahldurchmesser von etwa 40 μm am Kollisionspunkt im Detektor (dünner als ein Menschenhaar) Experiment 40 μm ~40 m R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 16

15 Energie im Strahl Energie eines Protons bis zu 7 TeV = ev Energie in Strahl ev Milliarden = 350 MJoule 360 MJoule: Die kinetische Energie in einem 200 m langen ICE bei 150 km/h entspricht der Energie von 350 MJoule in einem Strahl 8 Liter Benzin 15 kg Schokolade R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 17

16 Energie im Magnetsystem Im Magnetsystem ist eine Energie von etwa 10 GJoule gespeichert 10 GJoule: die Energie eines A380 bei 700 km/hour entspricht der Energie, die im LHC Magnetsystem gespeichert ist system: damit könnte man 12 Tonnen Kupfer zum schmelzen bringen!! R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 18

17 Erster Strahlbetrieb: vom ersten Umlauf zum gespeicherten Strahl R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 19

18 Einschuss und erster Umlauf eines Teilchenpakets IR5:CMS Dump Blöcke IR4: Hochfrequenz und Instrumentierung IR6: Extraktion der Stahlen IR3: Kollimatoren IR7: Kollimatoren acht Bögen acht lange gerade Strecken (jeweils etwa 700m lang) IR2:ALICE IR1: ATLAS IR8: LHC-B Injektion Injektion R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 20

19 Einschuss und erster Umlauf eines Teilchenpakets IR5:CMS Dump Blöcke IR4: Hochfrequenz und Instrumentierung IR6: Extraktion der Stahlen IR3: Kollimatoren IR7: Kollimatoren acht Bögen acht lange gerade Strecken (jeweils etwa 700m lang) Injektion IR2:ALICE IR8: LHC-B IR1: ATLAS Injektion R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 21

20 Einfang eines Pakets mit vielen Teilchen im elektromagnetischen Feld der Strahl wurde fürf Stunden gespeichert etwa 100 Umläufe einzelner Umlauf Courtesy E. Ciapala R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 22 22

21 Kontinuierlicher Fortschritt?.. leider unrealistisch The LHC ist eine Anlage von extremer Komplexität Die Technologie ist an der Grenze des Machbaren Der LHC ist sein eigener Prototyp Diverse Probleme wurden während Entwicklung und Bau gelöst: Ablenkmagnete, Heliumverteilerlinie, Kollimatoren, Fokussiermagnete für Experimente, Hochfrequenzfinger (PiMS), 19 September, 10 Tage nach erstem Strahlbetrieb: Aufreissen einer supraleitenden Verbindung zwischen zwei Ablenkmagneten bei Standardtests bei einem Strom von 9 ka Aufwendige Reparatur Der Schaden ist auf einen kleinen Bereich des LHC begrenzt Arbeiten zur zukünftigen Vermeidung eines solchen Vorfall R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 23

22 Aufreissen der Verbindung zwischen Hauptverbindung 12 ka Verbindung R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 24

23 Zusammenfassung Erster Strahlbetrieb: äußerst unproblematisch Der LHC verhält sich mit Strahl äußerst "gutmütig" Sorgfältige Inbetriebnahme der technischen Systems während zwei Jahren Geplanter Strahlbetrieb im nächsten Frühjahr / Sommer Langsames Hinarbeiten zu nominalen Parametern Es wurde häufig gesagt, dass beim LHC Kontraste wie das ganz Grosse und das ganz Kleine dicht beieinander liegen.das lässt sich sicher auch für die Emotionen sagen, Begeisterung beim Einschalten, und Enttäuschung am Erfolg nicht durch Abwesenheit von Problemen, sondern weil Probleme identifiziert und mit kompetenten und motivierten Mitarbeitern gelöst werden R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 25

24 Danksagung Der LHC Beschleuniger wurde vom CERN während einer Dauer von über 20 Jahren mit der Unterstützung der CERN Mitgliedsstaaten gebaut Ausserdem gab es eine intensive Zusammenarbeit mit Labors aus vielen Ländern, z.b. die USA, Japan, Russland, Indien, Kanada, ausserdem Frankreich und Schweiz Die Industrie spielte bei dem Projekt eine wichtige Rolle Danke für Material von: R.Assmann, R.Bailey, E.Ciapala, L.Evans, Ph.Lebrun und anderen R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 26

25 Reserve R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 27

26 Aufreissen einer Starkstromverbindung und Lichtbogen Austritt von Helium ins Isoliervakuum Überdruck im Isoliervakuum Verschiebung von Magneten und Schäden in den Verbindungen Austritt von Helium in den Tunnel Kein Risiko für Personen Aufwendige Reparatur Vermeidung einer Wiederholung eines solchen Fehlers IR4: Hochfrequenz und Instrumentierung IR3: Kollimatoren IR2:ALICE Injektion IR5:CMS IR1: ATLAS IR6: Extraktion der Stahlen IR7: Kollimatoren IR8: LHC-B Dump Blöcke Injektion R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 28

27 .und ohne elektromagnetisches Feld etwa 100 Umläufe einzelner Umlauf Courtesy E. Ciapala R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 29 29

28 Energie im Strahl und im Magnetsystem LHC energy in magnets Energy stored in the beam [MJ] ISR SNS LEP2 LHC injection (12 SPS batches) SPS fixed target SPS batch to LHC RHIC proton LHC top energy SPS ppbar HERA TEVATRON Factor ~ Momentum [GeV/c] R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 30

29 Magnettemperatur in 3 km langem Sektor C 3.3 km R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 31

30 Erster Umlauf eines Strahls am 10 September 2008 Strahlrichtung horizontale Strahlabweichung ±10 mm vertikale Strahlabweichung ±10 mm R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 32 32

31 Quench - transition from superconducting state to normalconducting state Quenches are initiated by an energy in the order of mj (corresponds to the energy of 1000 protons at 7 TeV) Movement of the superconductor by several μm (friction and heat dissipation) Beam losses Failure in cooling To limit the temperature increase after a quench (in 1s to 5000 K) The quench has to be detected The energy is distributed in the magnet by force-quenching the coils using quench heaters The magnet current has to be switched off within << 1 second R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 33

32 H wire scan R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 34 34

33 Current leads with High Temperature Superconductors at an industrial scalce Feedboxes ( DFB ) : transition from copper cable to super-conductor Water cooled Cu cables 35 R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 35

34 Collimators at 7 TeV, squeezed optics 56.0 mm 1 mm R.Assmanns EURO +/- 8 sigma = 4.0 mm Beam +/- 3 sigma Example: Setting of collimators at 7 TeV - with luminosity optics Beam must always touch collimators first! R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 36

35 Der LHC ein 26 km langer Beschleuniger etwa 100 m unter der Erde R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 37

36 Situation on 10th September 7 out of 8 sectors fully commissioned for 5 TeV operation and 1 sector (3-4) commissioned up to 1 TeV. Lyn Evans EDMS document no

37 Lyn Evans EDMS document no

38 Beam on turns 1 and 2 Lyn Evans EDMS document no Courtesy R. Bailey 40

39 Fast BCT Lyn Evans EDMS document no

40 Dump dilution sweep Lyn Evans EDMS document no

41 No RF, debunching in ~ 25*10 turns, i.e. roughly 25 ms Courtesy E. Ciapala Lyn Evans EDMS document no

42 First attempt at capture,, at exactly the wrong injection phase Courtesy E. Ciapala Lyn Evans EDMS document no

43 Capture with corrected injection phasing Courtesy E. Ciapala Lyn Evans EDMS document no

44 LHC longitudinal bunch profile Beam 2 Lyn Evans EDMS document no

45 Integer tunes Lyn Evans EDMS document no Courtesy R. Bailey 47

46 Tune measurements Lyn Evans EDMS document no Courtesy R. Bailey 48

47 Fractional tune spectrum H & V (Beam2) closest Q approach ~ 0.06 due to coupling Lyn Evans EDMS document no

48 Corrected closed orbit on B2. Energy offset of ~ -0.9 permill due to the capture frequency. Courtesy J. Wenninger Lyn Evans EDMS document no

49 Kick response compared with theoretical optics Lyn Evans EDMS document no

50 Beam 1 H dispersion on first turn Injection to beam dump Courtesy J. Wenninger Lyn Evans EDMS document no

51 Transformer failure At 23:30 on Friday a 12 MVA transformer at Point 8 failed. There is no spare unit but CMS has 2 similar transformers and a lot of over-capacity. The cryogenics at point 8 (7-8 and 8-1) was lost. The CMS transformer was installed on Saturday and Sunday. Lyn Evans EDMS document no

52 Incident on 19th September During commissioning of the last main bend circuit to 5 TeV an incident occurred resulting in the triggering of quench heaters of about 100 magnets and a large He discharge into the tunnel. The most probable cause is a faulty electrical connection between two magnets. The sector is being brought to room temperature for repair. The time needed for warmup, repair and cooldown precludes a restart before CERN s obligatory winter shutdown. The shutdown schedule is being modified to gain ~ 1 month of LHC operation in Lyn Evans EDMS document no

53 LHC: From first ideas to realisation 1982 : First studies for the LHC project 1983 : Z0 detected at SPS proton antiproton collider 1985 : Nobel Price for S. van der Meer and C. Rubbia 1989 : Start of LEP operation (Z-factory) 1994 : Approval of the LHC by the CERN Council 1996 : Final decision to start the LHC construction 1996 : LEP operation at 100 GeV (W-factory) 2000 : End of LEP operation and removal of LEP equipment 2003 : Start of the LHC installation 2005 : Start of hardware commissioning 2007 : Installation of superconducting magnets finished 2008 : Beam commissioning and first collisions planned R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 55

54 Lorentz force on a charged particle: acceleration The force on a charged particle is proportional to the charge, the electric field, and the vector product of velocity and magnetic field: r F r r r = q ( E + v B) z s Electric field about 10 MV F E E v x R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 56

55 Lorentz force on a charged particle: acceleration and deflection The force on a charged particle is proportional to the charge, the electric field, and the vector product of velocity and magnetic field: r r r r p F = q ( E + v B) B = e R 0 z B F B v s x Electric field about 10 MV Momentum 7000 GeV/c Radius 2805 m Magnetic field B = 8.3 Tesla Superconducting magnets required operating at 1.9 K Deflecting magnetic fields for two beams in opposite directions R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 57

56 R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 58

57 Operating temperature of NbTi superconductors J [ka/mm2] J [ka/mm 2 ] The superconducting state only occurs in a limited domain of temperature, magnetic field and transport current density T [K] B [T] Superconducting magnets produce high field with high current density Lowering the temperature enables better usage of the superconductor, by broadening its working range LHC dipole magnets operate in helium at a temperature of 1.9 K Outside the domain the magnet quenches mj are sufficient to locally heat the superconductor R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 59

58 CERN: leading European institute for Particle Physics, started 1954 with 2600 staff and 6800 users Close to Geneva across the French-Swiss border 20 member states, ~7 observers (e.g. USA), many others participating LEP / LHC The U.S. LHC Accelerator Research Program (LARP) is a collaboration of BNL, FNAL, LBNL, and SLAC, working with CERN to address a variety of issues. R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 60

59 .vom ersten Umlauf zu vielen Umläufen Courtesy R. Bailey R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 61 61

60 Der relativistische Hammerwerfer Die Protonen werden auf die Energie von 7 TeV beschleunigt.und mit starken Magnetfeldern auf einer Kreisbahn gehalten Energie 7 TeV 20 min 450 GeV Zeit Zur Beschleunigung laufen die Protonen etwa 7 Millionen mal um, und werden bei jedem Umlauf mit einer Spannung von etwa 1 Millionen Volt beschleunigt R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 62

61 Energie und Kollisionsrate Die Teilchenphysik braucht Kollisionen von Protonen (Wasserstoffkerne) mit einer Energie weit oberhalb von 1TeV (10 12 ev = 1Million 1Million ev) In einer Fernsehröhre werden Elektronen auf etwa ev beschleunigt Um seltene Ereignisse zu beobachten, sollte die Kollisionsrate bei 10 9 / Sekunde pro Experiment liegen Außerdem sollen Schwerionenstrahlen kollidieren Kollisionsrate = Luminosität Wirkungsquerschnitt (Der totale Wirkungsquerschnitt entspricht anschaulich- der Querschnittsfläche eines Proton) R.Schmidt - Ausstellung Weltmaschine 63