Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien

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1 Herzlich Willkommen Hadron-Kollider Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger ein Vortrag von Jan Sammet betreut von Arnd Meyer Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -1-

2 Inhalt 1) Einleitung 1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)? 1.2) Übersicht über den Aufbau 1.3) Luminösität und Tuning 3) Vorbeschleuniger 3.1) Protonenquelle und RFQ 3.2) Linearbeschleuniger Linac2 3.3) Proton Synchrotron Booster 3.4) Proton Synchrotron 3.5) Super Proton Synchrotron 4) Der LHC-Ring 4.1) Beschleunigung und Kavitäten 4.2) Strahlführung und fokussierung 4.3) Das Kühlsystem 4.4) Energie! 4.5) Realisierung und Entwicklungsstand 5) Zusammenfassung Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -2-

3 Inhalt 1) Einleitung 1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)? 1.2) Übersicht über den Aufbau 1.3) Luminösität und Tuning 3) Vorbeschleuniger 3.1) Protonenquelle und RFQ 3.2) Linearbeschleuniger Linac2 3.3) Proton Synchrotron Booster 3.4) Proton Synchrotron 3.5) Super Proton Synchrotron 4) Der LHC-Ring 4.1) Beschleunigung und Kavitäten 4.2) Strahlführung und fokussierung 4.3) Das Kühlsystem 4.4) Energie! 4.5) Realisierung und Entwicklungsstand 5) Zusammenfassung Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -3-

4 Was ist der LHC? Hadronen-Collider (2 Röhren) am Cern Proton mit 14 TeV Schwerpunktsenergie Blei-Ionen mit 1150 TeV Schwerpunktsenergie gespeicherte Strahlenergie: 350 MJ x 2808 Protonen pro Strahl 26,6 km Umfang über 8000 supraleitende Magnete Dipolfelder bis zu 8.33 T 4 Experimente Luminosität (200 mal Tevatron) Strahlgröße: 300 µm im Ring 16 µm am Interacting Point Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet cm 2 s 1

5 Inhalt 1) Einleitung 1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)? 1.2) Übersicht über den Aufbau 1.3) Luminösität und Tuning 3) Vorbeschleuniger 3.1) Protonenquelle und RFQ 3.2) Linearbeschleuniger Linac2 3.3) Proton Synchrotron Booster 3.4) Proton Synchrotron 3.5) Super Proton Synchrotron 4) Der LHC-Ring 4.1) Beschleunigung und Kavitäten 4.2) Strahlführung und fokussierung 4.3) Das Kühlsystem 4.4) Energie! 4.5) Realisierung und Entwicklungsstand 5) Zusammenfassung Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -5-

6 Übersicht über den Aufbau 14 TeV Weg der Protonen: 450 GeV 1) Protonenquelle + RFQ 2) LINAC2 3) PSB 4) PS 5) SPS 6) LHC 1,4 GeV 50 MeV 25 GeV 750 kev Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -6-

7 Inhalt 1) Einleitung 1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)? 1.2) Übersicht über den Aufbau 1.3) Luminösität und Tuning 3) Vorbeschleuniger 3.1) Protonenquelle und RFQ 3.2) Linearbeschleuniger Linac2 3.3) Proton Synchrotron Booster 3.4) Proton Synchrotron 3.5) Super Proton Synchrotron 4) Der LHC-Ring 4.1) Beschleunigung und Kavitäten 4.2) Strahlführung und fokussierung 4.3) Das Kühlsystem 4.4) Energie! 4.5) Realisierung und Entwicklungsstand 5) Zusammenfassung Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -7-

8 Luminosität interessante Prozesse sind selten die Ereignisrate dn/dt sollte möglichst groß sein wegen dn/dt = L σ ist die Luminosität L die relevante Größe eines Beschleunigers Beispiel Higgs am LHC: erwachteter WQ ~ pb = cm 2 L = cm -2 s -1 dn/dt = 0,01 s -1 ca. 36 / Stunde L = 4πe 2 1 f rev N b I I σ σ 1 * x 2 * y NbI ε n 2 b N b = Anzahl der Pakete pro Ring I b = Intensität pro Paket ε n = normierte Emittanz B = I b /ε n = Helligkeit des Strahls gewünscht sind: viele Pakete hohe Intensität kleine Emittanz Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -8-

9 Tuning E (s) = Einhüllende der Teilchenbahnen = εβ (s) Q := Anzahl der Umläufe bis Teilchen wieder an der gleichen Stelle im Phasenraum ist ganzzahlige Q (bzw. für Quadro- und Sextupole Q = n + 1/2 und Q = n + 1/3) müssen vermieden werden sonst ablenkende Resonanz Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -9-

10 Inhalt 1) Einleitung 1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)? 1.2) Übersicht über den Aufbau 1.3) Luminösität und Tuning 3) Vorbeschleuniger 3.1) Protonenquelle und RFQ 3.2) Linearbeschleuniger Linac2 3.3) Proton Synchrotron Booster 3.4) Proton Synchrotron 3.5) Super Proton Synchrotron 4) Der LHC-Ring 4.1) Beschleunigung und Kavitäten 4.2) Strahlführung und fokussierung 4.3) Das Kühlsystem 4.4) Energie! 4.5) Realisierung und Entwicklungsstand 5) Zusammenfassung Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -10-

11 Inhalt 1) Einleitung 1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)? 1.2) Übersicht über den Aufbau 1.3) Luminösität und Tuning 3) Vorbeschleuniger 3.1) Protonenquelle und RFQ 3.2) Linearbeschleuniger Linac2 3.3) Proton Synchrotron Booster 3.4) Proton Synchrotron 3.5) Super Proton Synchrotron 4) Der LHC-Ring 4.1) Beschleunigung und Kavitäten 4.2) Strahlführung und fokussierung 4.3) Das Kühlsystem 4.4) Energie! 4.5) Realisierung und Entwicklungsstand 5) Zusammenfassung Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -11-

12 Protonenquelle 1 zu 1 Modell der Quelle Proton Output Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -12-

13 Protonenquelle Aufbau der Duoplasmotron Protonenquelle: 0 2 Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -13-

14 RFQ (Radio Frequency Quadrupole) beschleunigt und fokussiert mittels elektrischer Felder beschleunigt Protonen auf 750 kev Bunching 1,75 m lang RF = 200 MHz Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -14-

15 Übersicht 1) Einleitung 1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)? 1.2) Übersicht über den Aufbau 1.3) Luminösität und Tuning 3) Vorbeschleuniger 3.1) Protonenquelle und RFQ 3.2) Linearbeschleuniger Linac2 3.3) Proton Synchrotron Booster 3.4) Proton Synchrotron 3.5) Super Proton Synchrotron you are here 4) Der LHC-Ring 4.1) Beschleunigung und Kavitäten 4.2) Strahlführung und fokussierung 4.3) Das Kühlsystem 4.4) Energie! 4.5) Realisierung und Entwicklungsstand 5) Zusammenfassung Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -15-

16 Linac 2 beschleunigt von 750 kev auf 50 MeV Beschleunigung durch elektrisches Feld Fokussierung mittels Quadropolmagneten Länge: 30 m RF = 200 MHz Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -16-

17 Übersicht 1) Einleitung 1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)? 1.2) Übersicht über den Aufbau 1.3) Luminösität und Tuning 3) Vorbeschleuniger 3.1) Protonenquelle und RFQ 3.2) Linearbeschleuniger Linac2 3.3) Proton Synchrotron Booster 3.4) Proton Synchrotron 3.5) Super Proton Synchrotron you are here 4) Der LHC-Ring 4.1) Beschleunigung und Kavitäten 4.2) Strahlführung und fokussierung 4.3) Das Kühlsystem 4.4) Energie! 4.5) Realisierung und Entwicklungsstand 5) Zusammenfassung Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -17-

18 PS Booster Synchrotron-Beschleuniger ( Fokussier- & Ablenkmagnete) beschleunigt von 50 MeV auf 1,4 GeV 4 übereinander liegende Strahlrohre Beschleunigungsdauer: 1,2 Sekunden LHC-Emittanz wird hier definiert die Helligkeit des Strahls (I b / ε n ) musste auf das 1,6-fache gesteigert werden starke Raumladung Strahl wird defokussiert Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -18-

19 Raumladung (1/2) auf zwei bewegte Protonen wirken zwei Kräfte: Abstoßung durch Coulomb- Wechselwirkung Anziehung durch Magnetfeld, induziert durch parallele Ströme Abstoßung überwiegt, aber nimmt mit Geschwindigkeit ab F 1 βγ Raumladung, verursacht besonders bei niedrigeren Energien Schwierigkeiten 2 Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -19-

20 Raumladung (2/2) Problem: Schwankung ΔQ der Umlaufsanzahl Q Verschmierung des Tune-Punktes ΔQ Ib ε n 1 βγ 2 ΔQ wird zu groß Protonenverlust Lösung: befüllen des PS mit zwei Füllungen des Boosters dies erlaubt Halbierung der Strahlhelligkeit I b /ε n Halbierung des Raumladungs-Effekts umfassende Hardware-Upgrades für den Booster Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -20-

21 Übersicht 1) Einleitung 1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)? 1.2) Übersicht über den Aufbau 1.3) Luminösität und Tuning 3) Vorbeschleuniger 3.1) Protonenquelle und RFQ 3.2) Linearbeschleuniger Linac2 3.3) Proton Synchrotron Booster 3.4) Proton Synchrotron 3.5) Super Proton Synchrotron you are here 4) Der LHC-Ring 4.1) Beschleunigung und Kavitäten 4.2) Strahlführung und fokussierung 4.3) Das Kühlsystem 4.4) Energie! 4.5) Realisierung und Entwicklungsstand 5) Zusammenfassung Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -21-

22 Das PS Proton-Synchrotron kombinierte Fokussier- & Ablenkmagnete beschleunigt von 1,4 GeV auf 25 GeV Beschleunigungsdauer: 3,6 Sekunden Befüllung aus PSB in 2 Schritten (4 Pakete + 2 Pakete 1,2 s später) erzeugt aus 6 Paketen 72 Stück mit jeweils 25 ns Abstand verkürzt Paketlänge auf 4ns Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -22-

23 Die harmonische Zahl die harmonische Zahl verknüpft die beschleunigende Frequenz f RF und die Umlauffrequenz f Umlauf des Strahls f RF = 2 f Umlauf t = 0 f RF = f Umlauf pro Umlauf erfährt nur eine Stelle des Strahls volle Beschleunigung es bildet sich genau ein Paket das beschleunigt wird alle anderen Teilchen werden nicht richtig beschleunigt t = ¼ T E f RF = h f Umlauf pro Umlaufe erfahren h Stellen des Strahls die volle Beschleunigung es bilden sich h Pakete t = ½ T die ganze Zahl h wird harmonische Zahl genannt entscheidend für die Verkürzung der Pakete im PS t = ¾ T Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -23-

24 Erzeugung der 72 Pakete 72 Pakete je 12 ns lang Erhöhung hung der Spannung 72 Pakete je 4 ns lang Hardware Upgrades! Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -24-

25 Kicker Magnete erzeugen sehr kurze, starke Felder wichtig: extrem kurze Flanken möglicht ebenes Plateau, sonst wird gesamter Strahl gestört Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -25-

26 Übersicht 1) Einleitung 1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)? 1.2) Übersicht über den Aufbau 1.3) Luminösität und Tuning 3) Vorbeschleuniger 3.1) Protonenquelle und RFQ 3.2) Linearbeschleuniger Linac2 3.3) Proton Synchrotron Booster 3.4) Proton Synchrotron 3.5) Super Proton Synchrotron 4) Der LHC-Ring 4.1) Beschleunigung und Kavitäten 4.2) Strahlführung und fokussierung 4.3) Das Kühlsystem 4.4) Energie! 4.5) Realisierung und Entwicklungsstand you are here 5) Zusammenfassung Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -26-

27 Der SPS war zunächst Fixed Target Beschleuniger, dann Collider und heute LHC-Vorbeschleuniger Umfang: 6911,55 m (größer als Tevatron (6283 m) aber mit konventionellen Magnete) max. B-Feld: 2 T (Tevatron: 4,4 T) 744 Dipole, 216 Quadropole + Korrekturen beschleunigt von 26 auf 450 GeV ändert Paketstruktur nicht erhält die (normierte) Emittanz des PS Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -27-

28 SPS füllen & entleeren SPS nimmt max. 288 Pakete auf 4 PS ergeben eine SPS-Füllungen 12 SPS ergeben eine LHC-Füllungen LHC-Betrieb sehr hohe Stromdichten im SPS Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -28-

29 SPS Probleme & Upgrades hohe Intensität der LHC-Strahlen Kavität: 350 kw 750 kw Strahl wird schneller instabil Austausch & Erneuerung vieler Komponenten optimiertes Tuning umfassende Umbaumaßnahmen Optimierung des Tunings Reduktion der Impedanz Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -29-

30 Elektronenwolken im SPS treffen Teilchen die Rohrwand, werden dort lose Teilchen heraus geschlagen Effekt verstärkt sich selbst Strahl wird instabil Effekt behebt sich mit der Zeit von selbst (wird schwächer) Schrubb-Läufe gehören fest zum SPS-Betrieb dennoch sind die verbleibende Wolken ein limitierender Faktor für den SPS Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -30-

31 Transferlinien zum LHC zwei Transferlinien (TI 2 und TI 8) vom SPS zum LHC Gesamtlänge: etwa 5,6 km rund 700 Magnete verbaut TI 2 wird erst 2007 in Betrieb genommen Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -31-

32 TI 8 Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -32-

33 Inhalt 1) Einleitung 1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)? 1.2) Übersicht über den Aufbau 1.3) Luminösität und Tuning 3) Vorbeschleuniger 3.1) Protonenquelle und RFQ 3.2) Linearbeschleuniger Linac2 3.3) Proton Synchrotron Booster 3.4) Proton Synchrotron 3.5) Super Proton Synchrotron 4) Der LHC-Ring 4.1) Beschleunigung und Kavitäten 4.2) Strahlführung und fokussierung 4.3) Das Kühlsystem 4.4) Energie! 4.5) Realisierung und Entwicklungsstand 5) Zusammenfassung Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -33-

34 Inhalt 1) Einleitung 1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)? 1.2) Übersicht über den Aufbau 1.3) Luminösität und Tuning 3) Vorbeschleuniger 3.1) Protonenquelle und RFQ 3.2) Linearbeschleuniger Linac2 3.3) Proton Synchrotron Booster 3.4) Proton Synchrotron 3.5) Super Proton Synchrotron 4) Der LHC-Ring 4.1) Beschleunigung und Kavitäten 4.2) Strahlführung und fokussierung 4.3) Das Kühlsystem 4.4) Energie! 4.5) Realisierung und Entwicklungsstand 5) Zusammenfassung Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -34-

35 LHC Kavitäten Beschleunigung erfolgt durch Kavität im Prinzip wie Linac Energieübertrag durch stehende, elektromagnetische Welle (Protonen surfen ) anregende Frequenz und Kavität werden so abgestimmt, dass es zu Resonanz kommt zusätzliche Verstärkung der Welle LHC Kavität ist supraleitend Energiezuwachs pro Umlauf: 485 kev Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -35-

36 LHC Kavitäten Vorbereitung eines Kavitätsmoduls im Reinraum Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -36-

37 LHC Kavitäten Einsetzten der Kavitäten ins Modul Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -37-

38 LHC Kavitäten Modul mit vier Kavitäten Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -38-

39 LHC Kavitäten Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -39-

40 Inhalt 1) Einleitung 1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)? 1.2) Übersicht über den Aufbau 1.3) Luminösität und Tuning 3) Vorbeschleuniger 3.1) Protonenquelle und RFQ 3.2) Linearbeschleuniger Linac2 3.3) Proton Synchrotron Booster 3.4) Proton Synchrotron 3.5) Super Proton Synchrotron 4) Der LHC-Ring 4.1) Beschleunigung und Kavitäten 4.2) Strahlführung und fokussierung 4.3) Das Kühlsystem 4.4) Energie! 4.5) Realisierung und Entwicklungsstand 5) Zusammenfassung Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -40-

41 Übersicht Strahlführung Dipolmagnete Fokussierung Quadrupolmagnete insgesamt über 8000 supraleitende Magnete 2000 Haupt-Di- und Quadrupolmagnete 6000 Korrekturmagnete (z.t. auf den Hauptmagneten) 18 km Dipole 4,5 km Quadrupole insgesamt über 23 km supraleitende Magnete (LHC-Umfang = 26,6 km) Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -41-

42 Dipolmagnete Querschnitt eines idealen Dipols Dipolnäherung bauliche Näherungsmethoden Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -42-

43 LHC-Dipolmagnete Gesamtansicht eins LHC-Dipols Querschnitt eins LHC-Dipols Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -43-

44 Aufbau eines LHC-Dipols Aufbau eines Dipols im Querschnitt Supraleitende Spulen, aus Rutherfordkabeln mit Vakuumkern Kupferkeile, auf ± 20 µm genau gefertigt Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -44-

45 Aufbau eines LHC-Dipols Aufbau eines Dipols im Querschnitt Isolation der einzelnen Kabel & der Spulen Dicke auf 3% genau gefertigt wichtig um thermische Isolierung klein und gleichmäßig zu halten Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -45-

46 Aufbau eines LHC-Dipols Aufbau eines Dipols im Querschnitt Strahlrohrmantel, elektr. Isolator: muss Spannungen > 20 kv abschirmen Abstand zwischen Spulen und Mantel 0.5 mm über 15 m Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -46-

47 Aufbau eines LHC-Dipols Aufbau eines Dipols im Querschnitt Edelstahlklammern: halten den Magneten zusammen sind aber kein Rückflussjoch Magnetfeld erstreckt sich über beide Dipole (Zwillingskonzept) Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -47-

48 Aufbau eines LHC-Dipols Aufbau eines Dipols im Querschnitt Eisenspange: trimmt das B-Feld unterdrückt ungewollte Quadruund Oktopolkomponenten Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -48-

49 Aufbau eines LHC-Dipols Regulär Edelstahl beschichtet Aufbau eines Dipols im Querschnitt Eisenjoch: dient als Rückflussjoch hält Magnete zusammen Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -49-

50 Aufbau eines LHC-Dipols Quadrupol-Bus (defokussierend) Aufbau eines Dipols im Querschnitt Quadrupol-Bus (fokussierend) insgesamt etwa 160 km Haupt-Bus-Kabel Dipol-Bus Temperatursensor Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -50-

51 Aufbau eines LHC-Dipols He II Leitung (aus Kupfer) äußere Hülle: besteht aus 2 gebogenen Stücken bis 2003 was es noch nicht gelungen die Krümmung exakt genug zu fabrizieren (± 2.5 mm) Aufbau eines Dipols im Querschnitt Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -51-

52 Aufbau eines LHC-Dipols Aufbau eines Dipols im Querschnitt das Strahlrohr Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -52-

53 Strahlrohr (gezoomt) 56.0 mm ±3σ (1.3 mm) R. Schmidt Beam ± 3 sigma Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -53-

54 Aufbau eines LHC-Dipols Aufbau eines Dipols im Querschnitt das Strahlrohr Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -54-

55 Aufbau eines LHC-Dipols Aufbau eines Dipols im Querschnitt magnetischer Fluss bei 10 T (Simulation) Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -55-

56 Dipolendkappe Rückflussjoch Strahlrohrmantel Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -56-

57 Dipolendkappe Abschlussplatte Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -57-

58 Dipolendkappe Bus-System Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -58-

59 Dipolendkappe äußere Hülle Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -59-

60 Dipolendkappe Heliumleitung Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -60-

61 Dipolendkappe Korrekturmagnete (hier Sextupole) Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -61-

62 Dipolendkappe Abschluss mit Anschlüssen Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -62-

63 Dipolendkappe Mechanischer Maulwurf LTD 500 (kalter) Standfuß, muss sehr genau ausgerichtet werden Laser Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -63-

64 Dipol-Gesamtansicht Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -64-

65 Quadrupolmagnete Querschnitt eines idealen Quadrupols Quadrupolnäherung Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -65-

66 LHC-Quadrupol Quadrupole sind einzeln in Edelstahl gefasst gemeinsames Rückflussjoch 2-in-1 Prinzip, aber nicht Zwilling (mechanisch und magnetisch entkoppelt) Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -66-

67 Verschiedene LHC-Quads Name Haupt-Quadrupol Anpassungs-Quadrupol Weitwinkel-Quadrupol Gradient 223 T/m 200 T/m 160 T/m Temperatur 1,9 K 1,9 K 4,5 K Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -67-

68 Rutherfordkabel Supraleiter: Niobium-Titanium etwa 6000 Drähte in Kupfermatrix etwa jeweils 30 Stränge bilden ein Kabel Dipolstromdichte J gesamt = 500 A/mm² (ca. 50 mal größer als konventionell) Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -68-

69 Rutherfordkabel 2 db/dt Kontaktwiderstand R c am Kreuzungspunkt Supraleitender Pfad im Kabel induzierte Kreisströme I -db/dt und I 1/R c Rauf- und Runterfahren des Beschleunigers Kreisströme Strom ist proportional zu 1/R c R c zu klein großer Wirbelstrom Quenchen R c zu groß quencht eine Ader kann der Strom nicht ausweichen Kabel wird mit SnAg-Gemisch (ZinnSilber) beschichtet Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -69-

70 Quenching quenching = Supraleiter wird normal leitend Temperatur steigt lokal dramatisch an Spulen-Energie wird in thermische umgewandelt kann durch mj-schwankungen ausgelöst werden I mögliche Ursachen: induzierte Ströme (siehe Rutherford-Kabel) Bewegung des Supraleiters im µm-bereich vom Strahl deponierte Energie Fehler im Kühlsystem T Gegenmaßnahmen: der Quench muss detektiert werden Strom des Magneten abstellen << 1 Sekunde Strom der anderen Magnete fließt über Bypassdiode Supraleitfähigkeit von Niobium-Titanium Magnet wird geheizt (Quench Heater: 0,1 µm dicke Kupfer-Stahl-Schicht auf der Spule) Energie verteilt sich im Magneten Wärmekapazität steigt B Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -70-

71 Inhalt 1) Einleitung 1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)? 1.2) Übersicht über den Aufbau 1.3) Luminösität und Tuning 3) Vorbeschleuniger 3.1) Protonenquelle und RFQ 3.2) Linearbeschleuniger Linac2 3.3) Proton Synchrotron Booster 3.4) Proton Synchrotron 3.5) Super Proton Synchrotron 4) Der LHC-Ring 4.1) Beschleunigung und Kavitäten 4.2) Strahlführung und fokussierung 4.3) Das Kühlsystem 4.4) Energie! 4.5) Realisierung und Entwicklungsstand 5) Zusammenfassung Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -71-

72 Kälter als der Weltraum 1.9 K K T Ph. Lebrun Der kälteste Ring im Universum! Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -72-

73 Das Kühlsystem insgesamt werden 4600 t auf 1,9 K gekühlt alle Magnete müssen im Betrieb unter 1,9 K gehalten werden Abkühl- bzw. Aufwärmphase ist (wie verlangt) nicht länger als 2 Wochen Heliumvorrat: 96 t einzelne Bereiche lassen sich schnell auf- und wieder abkühlen (für Reparaturen/ Tausch von Komponenten) zu beachten ist: LHC ist unterirdisch begrenzter Zugang zu allen Komponenten 1,4 % Steigung erschwert das Pumpen des Heliums 15 m lange Magneten vertragen maximal 75 K Temperaturgradient Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -73-

74 Das Kühlmittel Helium II Helium siedet bei 4,22 K He II = flüssiges He unterhalb des Lambdapunktes bei 2,1768 K He II ist suprafluid keine Viskosität (in der Praxis minimal) fließt durch kleinste Öffnungen (bis 10-8 m) hohe Anforderungen an Schweißnähte usw. größte, bekannte Wärmeleitfähigkeit (10 6 mal größer als Helium I) (mehrere 10² mal größer als Kupfer) Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -74-

75 Kühlung des Rings Magnet temperature [K] Maximum allowed Nominal operation Standby operation 1.82 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P Distance [m] Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -75-

76 Kryo-Knotenpunkt Ex-LEP 4.5 K refrigerator 1.8 K Refrigeration Unit Warm Compressor Station Cold Box Warm Compressor Station Surface Shaft Interconnection Box Cold Compressor Box Cavern Distribution Line Magnet Cryostats Tunnel LHC Sector (3.3 km) Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -76-

77 Kryo-Knotenpunkt Ex-LEP 4.5 K refrigerator 1.8 K Refrigeration Unit Warm Compressor Station Cold Box Warm Compressor Station Surface Shaft Interconnection Box Cold Compressor box Cavern Warm Compressor Station (Power Input ~4 MW) Distribution Line Magnet Cryostats LHC Sector (3.3 km) Tunnel Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -77-

78 Kryo-Knotenpunkt Ex-LEP 4.5 K refrigerator 1.8 K Refrigeration Unit Warm Compressor Station Cold Box Warm Compressor Station Surface Shaft Interconnection Box Cold Compressor Box Cavern Cold Box 2,5 kg/min Verflüssigung Distribution Line Magnet Cryostats LHC Sector (3.3 km) Tunnel Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -78-

79 Kryo-Knotenpunkt Ex-LEP 4.5 K refrigerator 1.8 K Refrigeration Unit Warm Compressor Station Cold Box Warm Compressor Station Surface Shaft Warm Compressor Station (Power input ~450 kw) Interconnection Box Cold Compressor Box Distribution Line Magnet Cryostats Cavern Tunnel LHC Sector (3.3 km) Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -79-

80 Kryo-Knotenpunkt Ex-LEP 4.5 K refrigerator 1.8 K Refrigeration Unit IHI-Linde Cold Compressor box Warm Compressor Station Warm Compressor Station Surface Cold Box Shaft Air Liquide Cold Compressor box Interconnection Box Cold Compressor Box Cavern Cold Compressor Box Distribution Line Magnet Cryostats Tunnel LHC Sector (3.3 km) Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -80-

81 Kühlung der Magnete Kühlsystem im LHC-Tunnel fließendes He II He II, statisch He-Leitung He-Kühlung der Magnete Magnet He-Wanne Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -81-

82 Thermische Isolierung Auflage aus Aluminium Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -82-

83 Thermische Isolierung weitere Isolationsschichten Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -83-

84 Thermische Isolierung Aluminiumhülle Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -84-

85 Thermische Isolierung Vakuumröhre aus Karbon und Stahl Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -85-

86 Inhalt 1) Einleitung 1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)? 1.2) Übersicht über den Aufbau 1.3) Luminösität und Tuning 3) Vorbeschleuniger 3.1) Protonenquelle und RFQ 3.2) Linearbeschleuniger Linac2 3.3) Proton Synchrotron Booster 3.4) Proton Synchrotron 3.5) Super Proton Synchrotron 4) Der LHC-Ring 4.1) Beschleunigung und Kavitäten 4.2) Strahlführung und fokussierung 4.3) Das Kühlsystem 4.4) Energie! 4.5) Realisierung und Entwicklungsstand 5) Zusammenfassung Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -86-

87 Energie im LHC gespeicherte Energie im 7 TeV Betrieb: in den Dipolmagneten: 9,4 GJ pro Teilchenstrahl: 346 MJ insgesamt über 10 GJ Was bedeuten 350 MJ? 35 Tonnen fallen aus 1 km Höhe Was bedeuten 10 GJ? 35 Tonnen fallen aus 28 km Höhe schmelzen von 12 t Kupfer entsprechen 1,9 t TNT Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -87-

88 Einschlagtests (SPS) geplanter Einschlagstest, GeV in Zinkplatte ungeplanter Einschlagstest, 4 x 72 Pakete in QP Vakuumkammer Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -88-

89 Strahl-Entsorgung nach 10 Stunden ist Luminosität auf etwa 1/3 gefallen Strahlabsorber (Grafit) Strahlstrom nur wenig reduziert Energie pro Strahl beträgt dann noch immer MJ etwa 8 m Strahlen werden in Dumpern entsorgt Betonabschirmung L. Bruno Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -89-

90 Kollimator 56,0 mm 1 mm 99,9% der Protonen, die verloren gingen, werden vom Kollimator gefiltert 2003: optimales Material noch nicht gefunden wird wahrscheinlich LHC limitieren ±8σ = 4,0 mm Strahl ± 3σ R. Schmidt P.Sievers / A.Ferrari / V.Vlachoudis 20 Pakete treffen Kollimator Beryllium: 500 C Grafit: 1500 C die meisten Metalle schmelzen Strahlachse Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -90-

91 Inhalt 1) Einleitung 1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)? 1.2) Übersicht über den Aufbau 1.3) Luminösität und Tuning 3) Vorbeschleuniger 3.1) Protonenquelle und RFQ 3.2) Linearbeschleuniger Linac2 3.3) Proton Synchrotron Booster 3.4) Proton Synchrotron 3.5) Super Proton Synchrotron 4) Der LHC-Ring 4.1) Beschleunigung und Kavitäten 4.2) Strahlführung und fokussierung 4.3) Das Kühlsystem 4.4) Energie! 4.5) Realisierung und Entwicklungsstand 5) Zusammenfassung Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -91-

92 Logistik allein wegen der Magnete: etwa t Material im Tunnel verbaut etwa t durch Europa gefahren viele Teile (Rohre, Magnete usw.) mussten industriell gefertigt werden, bei minimalen Produktionstoleranzen viele neue Verfahren und Geräte mussten entwickelt werden (siehe nächste Folie) LHC-Entwicklung = Industrie-Entwicklung Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -92-

93 Innovation & Industrie Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -93-

94 Almost there Beginn des LHC-Strahl-Betrieb in Oktober/ November 2007 zwei Monate Kalibrierungsläufe bei 450 GeV Begin des 7 TeV Betriebs in 2008 Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -94-

95 Zusammenfassung Der LHC bietet: 7 mal größere Schwerpunktsenergie als bisher (14 TeV) 200 mal größere Luminosität als bisher erlaubt Nachweis von Higgs-Teilchen (falls vorhanden) Technik: umfassende Umbauten der Vorbeschleuniger waren nötig und erfolgreich nur Superlativen: Größe, Magnete, Kühlung, Logistik, Kosten Entwicklung und Erforschung neuer Techniken enge Zusammenarbeit mit Industrie Energie: über 10 GJ müssen gespeichert und kontrolliert Störungen im mj-bereich können kritisch werden Aktuell: Begin der LHC-Kalibrierung: November/ Oktober 2007 Begin des 14 TeV Betriebs: Anfang 2008 Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleunige J. Sammet -95-