HadronHadron--KolliderKollider--ExperimenteExperimentebei sehr hohen Energienbei sehr hohen Energien
LHCLHC--BeschleunigerBeschleuniger
ein Vortrag von Jan Sammetein Vortrag von Jan Sammetbetreut von Arnd Meyerbetreut von Arnd Meyer
Herzlich Willkommen
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -1-
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -2-
Inhalt1) Einleitung
1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)?1.2) Übersicht über den Aufbau1.3) Luminösität und Tuning
3) Vorbeschleuniger3.1) Protonenquelle und RFQ3.2) Linearbeschleuniger Linac23.3) Proton Synchrotron Booster3.4) Proton Synchrotron3.5) Super Proton Synchrotron
4) Der LHC-Ring4.1) Beschleunigung und Kavitäten4.2) Strahlführung und –fokussierung4.3) Das Kühlsystem4.4) Energie!4.5) Realisierung und Entwicklungsstand
5) Zusammenfassung
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -3-
Inhalt1) Einleitung
1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)?1.2) Übersicht über den Aufbau1.3) Luminösität und Tuning
3) Vorbeschleuniger3.1) Protonenquelle und RFQ3.2) Linearbeschleuniger Linac23.3) Proton Synchrotron Booster3.4) Proton Synchrotron3.5) Super Proton Synchrotron
4) Der LHC-Ring4.1) Beschleunigung und Kavitäten4.2) Strahlführung und –fokussierung4.3) Das Kühlsystem4.4) Energie!4.5) Realisierung und Entwicklungsstand
5) Zusammenfassung
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -4-
Was ist der LHC?• Hadronen-Collider (2 Röhren) am Cern
• Proton mit 14 TeV Schwerpunktsenergie
• Blei-Ionen mit 1150 TeVSchwerpunktsenergie
• gespeicherte Strahlenergie: 350 MJ
• 1011 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 Ring16 µm am Interacting Point
1234 scm10 −−
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -5-
Inhalt1) Einleitung
1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)?1.2) Übersicht über den Aufbau1.3) Luminösität und Tuning
3) Vorbeschleuniger3.1) Protonenquelle und RFQ3.2) Linearbeschleuniger Linac23.3) Proton Synchrotron Booster3.4) Proton Synchrotron3.5) Super Proton Synchrotron
4) Der LHC-Ring4.1) Beschleunigung und Kavitäten4.2) Strahlführung und –fokussierung4.3) Das Kühlsystem4.4) Energie!4.5) Realisierung und Entwicklungsstand
5) Zusammenfassung
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -6-
Übersicht über den Aufbau
Weg der Protonen:
1) Protonenquelle + RFQ
2) LINAC2 3) PSB
4) PS 5) SPS 6) LHC
750 keV
1,4 GeV25 GeV
50 MeV
14 TeV
450 GeV
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -7-
Inhalt1) Einleitung
1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)?1.2) Übersicht über den Aufbau1.3) Luminösität und Tuning
3) Vorbeschleuniger3.1) Protonenquelle und RFQ3.2) Linearbeschleuniger Linac23.3) Proton Synchrotron Booster3.4) Proton Synchrotron3.5) Super Proton Synchrotron
4) Der LHC-Ring4.1) Beschleunigung und Kavitäten4.2) Strahlführung und –fokussierung4.3) Das Kühlsystem4.4) Energie!4.5) Realisierung und Entwicklungsstand
5) Zusammenfassung
Nb = Anzahl der Pakete pro Ring
Ib = Intensität pro Paket
εn = normierte Emittanz
B = Ib/εn = Helligkeit des Strahls
• interessante Prozesse sind selten
• die Ereignisrate dN/dt sollte möglichst groß sein
• wegen dN/dt = L σ ist die Luminosität Ldie relevante Größe eines Beschleunigers
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -8-
Luminosität
n
bb
yxbrev
INIINfe
Lεσσπ
2
**21
241
∝=
gewünscht sind:
• viele Pakete• hohe Intensität• kleine Emittanz
Beispiel Higgs am LHC:
• erwachteter WQ ~ pb = 10-36 cm2
• L = 1034 cm-2 s-1 ⇒ dN/dt = 0,01 s-1
⇒ ca. 36 / Stunde
• E(s) = Einhüllende der Teilchenbahnen =
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -9-
Tuning
)(sεβ
• Q := Anzahl der Umläufe bis Teilchen wieder an der gleichen Stelle im Phasenraum ist
• ganzzahlige Q (bzw. für Quadro- und SextupoleQ = n + 1/2 und Q = n + 1/3) müssen vermiedenwerden sonst ablenkende Resonanz
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -10-
Inhalt1) Einleitung
1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)?1.2) Übersicht über den Aufbau1.3) Luminösität und Tuning
3) Vorbeschleuniger3.1) Protonenquelle und RFQ3.2) Linearbeschleuniger Linac23.3) Proton Synchrotron Booster3.4) Proton Synchrotron3.5) Super Proton Synchrotron
4) Der LHC-Ring4.1) Beschleunigung und Kavitäten4.2) Strahlführung und –fokussierung4.3) Das Kühlsystem4.4) Energie!4.5) Realisierung und Entwicklungsstand
5) Zusammenfassung
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -11-
Inhalt1) Einleitung
1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)?1.2) Übersicht über den Aufbau1.3) Luminösität und Tuning
3) Vorbeschleuniger3.1) Protonenquelle und RFQ3.2) Linearbeschleuniger Linac23.3) Proton Synchrotron Booster3.4) Proton Synchrotron3.5) Super Proton Synchrotron
4) Der LHC-Ring4.1) Beschleunigung und Kavitäten4.2) Strahlführung und –fokussierung4.3) Das Kühlsystem4.4) Energie!4.5) Realisierung und Entwicklungsstand
5) Zusammenfassung
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -12-
Protonenquelle
1 zu 1 Modell der
Quelle
Proton Output
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -13-
Protonenquelle
Aufbau der Duoplasmotron Protonenquelle:
02
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -14-
RFQ (Radio Frequency Quadrupole)
• beschleunigt undfokussiert mittelselektrischer Felder
• beschleunigt Protonenauf 750 keV
• Bunching
• 1,75 m lang
• RF = 200 MHz
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -15-
Übersicht
you are here
1) Einleitung1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)?1.2) Übersicht über den Aufbau1.3) Luminösität und Tuning
3) Vorbeschleuniger3.1) Protonenquelle und RFQ3.2) Linearbeschleuniger Linac23.3) Proton Synchrotron Booster3.4) Proton Synchrotron3.5) Super Proton Synchrotron
4) Der LHC-Ring4.1) Beschleunigung und Kavitäten4.2) Strahlführung und –fokussierung4.3) Das Kühlsystem4.4) Energie!4.5) Realisierung und Entwicklungsstand
5) Zusammenfassung
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -16-
Linac 2
• beschleunigt von 750 keVauf 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 -17-
Übersicht
you are here
1) Einleitung1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)?1.2) Übersicht über den Aufbau1.3) Luminösität und Tuning
3) Vorbeschleuniger3.1) Protonenquelle und RFQ3.2) Linearbeschleuniger Linac23.3) Proton Synchrotron Booster3.4) Proton Synchrotron3.5) Super Proton Synchrotron
4) Der LHC-Ring4.1) Beschleunigung und Kavitäten4.2) Strahlführung und –fokussierung4.3) Das Kühlsystem4.4) Energie!4.5) Realisierung und Entwicklungsstand
5) Zusammenfassung
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -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 (Ib/ εn) musste auf das 1,6-fache gesteigertwerden starke Raumladung
Strahl wird defokussiert
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -19-
Raumladung (1/2)
• auf zwei bewegte Protonen wirkenzwei Kräfte:
• Abstoßung durch Coulomb-Wechselwirkung
• Anziehung durch Magnetfeld,induziert durch parallele Ströme
• Abstoßung überwiegt, aber nimmt mit Geschwindigkeit ab
⇒ Raumladung, verursacht besonders beiniedrigeren Energien Schwierigkeiten
2
1βγ
∝F
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -20-
Raumladung (2/2)
Problem:
• Schwankung ΔQ der Umlaufsanzahl Q
• Verschmierung des „Tune-Punktes“
• ΔQ wird zu groß Protonenverlust
Lösung:
• befüllen des PS mit zwei Füllungen des Boosters
• dies erlaubt Halbierung der Strahlhelligkeit Ib/εn
Halbierung des Raumladungs-Effekts
⇒ umfassende Hardware-Upgrades für den Booster
2
1βγε n
bIQ −∝Δ
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -21-
Übersicht1) Einleitung
1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)?1.2) Übersicht über den Aufbau1.3) Luminösität und Tuning
3) Vorbeschleuniger3.1) Protonenquelle und RFQ3.2) Linearbeschleuniger Linac23.3) Proton Synchrotron Booster3.4) Proton Synchrotron3.5) Super Proton Synchrotron
4) Der LHC-Ring4.1) Beschleunigung und Kavitäten4.2) Strahlführung und –fokussierung4.3) Das Kühlsystem4.4) Energie!4.5) Realisierung und Entwicklungsstand
5) Zusammenfassung
you are here
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -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 mitjeweils 25 ns Abstand
• verkürzt Paketlänge auf 4ns
• die harmonische Zahl verknüpft die beschleunigende Frequenz fRFund die Umlauffrequenz fUmlauf des Strahls
fRF = fUmlauf• 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
fRF = h ⋅fUmlauf• pro Umlaufe erfahren h Stellen des Strahls die volle Beschleunigung• es bilden sich h Pakete
• die ganze Zahl h wird harmonische Zahl genannt
↑ entscheidend für die Verkürzung der Pakete im PS
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -23-
Die harmonische Zahl
t = 0
fRF = 2 ⋅ fUmlauf
E
t = ¼ T
t = ¾ T
t = ½ T
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -24-
Erzeugung der 72 Pakete72 Pakete
je 12 ns lang ErhErhööhung der Spannunghung der Spannung72 Pakete
je 4 ns lang
HardwareUpgrades!
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -25-
Kicker Magnete
• erzeugen sehr kurze, starke Felder
• wichtig: extrem kurze Flanken
• möglicht ebenes Plateau, sonstwird gesamter Strahl gestört
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -26-
Übersicht1) Einleitung
1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)?1.2) Übersicht über den Aufbau1.3) Luminösität und Tuning
3) Vorbeschleuniger3.1) Protonenquelle und RFQ3.2) Linearbeschleuniger Linac23.3) Proton Synchrotron Booster3.4) Proton Synchrotron3.5) Super Proton Synchrotron
4) Der LHC-Ring4.1) Beschleunigung und Kavitäten4.2) Strahlführung und –fokussierung4.3) Das Kühlsystem4.4) Energie!4.5) Realisierung und Entwicklungsstand
5) Zusammenfassung
you are here
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -27-
Der SPS
• war zunächst Fixed Target Beschleuniger, dannCollider 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 -28-
SPS füllen & entleeren
• SPS nimmt max. 288 Pakete auf
• 12 SPS ergeben eine LHC-Füllungen
• 4 PS ergeben eine SPS-Füllungen
• LHC-Betrieb sehr hohe Stromdichten im SPS
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -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
• Reduktion der Impedanz
Optimierung des Tunings
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -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 -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 Betriebgenommen
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -32-
TI 8
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -33-
Inhalt1) Einleitung
1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)?1.2) Übersicht über den Aufbau1.3) Luminösität und Tuning
3) Vorbeschleuniger3.1) Protonenquelle und RFQ3.2) Linearbeschleuniger Linac23.3) Proton Synchrotron Booster3.4) Proton Synchrotron3.5) Super Proton Synchrotron
4) Der LHC-Ring4.1) Beschleunigung und Kavitäten4.2) Strahlführung und –fokussierung4.3) Das Kühlsystem4.4) Energie!4.5) Realisierung und Entwicklungsstand
5) Zusammenfassung
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -34-
Inhalt1) Einleitung
1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)?1.2) Übersicht über den Aufbau1.3) Luminösität und Tuning
3) Vorbeschleuniger3.1) Protonenquelle und RFQ3.2) Linearbeschleuniger Linac23.3) Proton Synchrotron Booster3.4) Proton Synchrotron3.5) Super Proton Synchrotron
4) Der LHC-Ring4.1) Beschleunigung und Kavitäten4.2) Strahlführung und –fokussierung4.3) Das Kühlsystem4.4) Energie!4.5) Realisierung und Entwicklungsstand
5) Zusammenfassung
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -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 Verstärkungder Welle
• LHC Kavität ist supraleitend
• Energiezuwachs pro Umlauf: 485 keV
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -36-
LHC Kavitäten
Vorbereitung eines Kavitätsmoduls im Reinraum
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -37-
LHC Kavitäten
Einsetzten der Kavitäten ins Modul
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -38-
LHC Kavitäten
Modul mitvier Kavitäten
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -39-
LHC Kavitäten
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -40-
Inhalt1) Einleitung
1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)?1.2) Übersicht über den Aufbau1.3) Luminösität und Tuning
3) Vorbeschleuniger3.1) Protonenquelle und RFQ3.2) Linearbeschleuniger Linac23.3) Proton Synchrotron Booster3.4) Proton Synchrotron3.5) Super Proton Synchrotron
4) Der LHC-Ring4.1) Beschleunigung und Kavitäten4.2) Strahlführung und –fokussierung4.3) Das Kühlsystem4.4) Energie!4.5) Realisierung und Entwicklungsstand
5) Zusammenfassung
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -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 -42-
Dipolmagnete
Querschnitt einesidealen Dipols Dipolnäherung
bauliche Näherungsmethoden
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -43-
Gesamtansicht eins LHC-Dipols
Querschnitt eins LHC-Dipols
LHC-Dipolmagnete
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -44-
Aufbau eines LHC-Dipols
Aufbau eines Dipolsim Querschnitt
Supraleitende Spulen,aus Rutherfordkabeln mit „Vakuumkern“
Kupferkeile, auf± 20 µm genau gefertigt
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -45-
Aufbau eines Dipolsim Querschnitt
Isolation der einzelnen Kabel & der Spulen
Dicke auf 3% genau gefertigt – wichtig um thermische Isolierung klein und gleichmäßig zu halten
Aufbau eines LHC-Dipols
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -46-
Aufbau eines Dipolsim Querschnitt
Strahlrohrmantel, elektr. Isolator:
• muss Spannungen > 20 kV abschirmen• Abstand zwischen Spulen und
Mantel ≈ 0.5 mm über 15 m
Aufbau eines LHC-Dipols
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -47-
Aufbau eines Dipolsim Querschnitt
Edelstahlklammern:
• halten den Magneten zusammen• sind aber kein Rückflussjoch
Magnetfeld erstreckt sich überbeide Dipole (Zwillingskonzept)
Aufbau eines LHC-Dipols
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -48-
Aufbau eines Dipolsim Querschnitt
Eisenspange:
• trimmt das B-Feld• unterdrückt ungewollte Quadru-
und Oktopolkomponenten
Aufbau eines LHC-Dipols
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -49-
Aufbau eines Dipolsim Querschnitt
Regulär Edelstahl beschichtet
Eisenjoch:
• dient als Rückflussjoch• hält Magnete zusammen
Aufbau eines LHC-Dipols
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -50-
Aufbau eines Dipolsim Querschnitt
Quadrupol-Bus (fokussierend)
Quadrupol-Bus (defokussierend)
Dipol-Bus
Temperatursensor
insgesamt etwa 160 km Haupt-Bus-Kabel
Aufbau eines LHC-Dipols
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -51-
Aufbau eines Dipolsim Querschnitt
äußere Hülle:
• besteht aus 2 gebogenen Stücken• bis 2003 was es noch nicht
gelungen die Krümmung exaktgenug zu fabrizieren (± 2.5 mm)
He II – Leitung (aus Kupfer)
Aufbau eines LHC-Dipols
Aufbau eines Dipolsim Querschnitt
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -52-
das Strahlrohr
Aufbau eines LHC-Dipols
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -53-
Beam ± 3 sigma
± 3σ(1.3 mm)
56.0 mm
R. Schmidt
Strahlrohr (gezoomt)
Aufbau eines Dipolsim Querschnitt
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -54-
das Strahlrohr
Aufbau eines LHC-Dipols
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -55-
Aufbau eines Dipolsim Querschnitt
magnetischer Flussbei 10 T (Simulation)
Aufbau eines LHC-Dipols
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -56-
Dipolendkappe
Rückflussjoch
Strahlrohrmantel
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -57-
Dipolendkappe
Abschlussplatte
Bus-System
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -58-
Dipolendkappe
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -59-
Dipolendkappe
äußere Hülle
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -60-
Dipolendkappe
Heliumleitung
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -61-
Korrekturmagnete(hier Sextupole)
Dipolendkappe
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -62-
Dipolendkappe
Abschluss mit Anschlüssen
(kalter) Standfuß, muss sehr genau ausgerichtet werden Laser
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -63-
Dipolendkappe
LTD 500Mechanischer Maulwurf
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -64-
Dipol-Gesamtansicht
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -65-
Quadrupolmagnete
Querschnitt einesidealen Quadrupols
Quadrupolnäherung
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -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 -67-
Verschiedene LHC-Quads
Name Haupt-Quadrupol Anpassungs-Quadrupol Weitwinkel-Quadrupol
200 T/m 160 T/m
4,5 K1,9 K
Gradient 223 T/m
Temperatur 1,9 K
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -68-
Rutherfordkabel
• Supraleiter: Niobium-Titanium
• etwa 6000 Drähte in Kupfermatrix
• etwa jeweils 30 Stränge bilden ein Kabel
• Dipolstromdichte Jgesamt = 500 A/mm²(ca. 50 mal größer als konventionell)
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -69-
Rutherfordkabel 2Kontaktwiderstand Rcam Kreuzungspunkt
induzierte KreisströmeI ∝ -dB/dt und I ∝ 1/Rc
SupraleitenderPfad im Kabel
• Rauf- und Runterfahren des Beschleunigers Kreisströme
• Strom ist proportional zu 1/RcRc zu klein großer Wirbelstrom QuenchenRc zu groß quencht eine Ader kann der Strom nicht „ausweichen“
• Kabel wird mit SnAg-Gemisch (ZinnSilber) beschichtet
⊗ dB/dt
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -70-
Quenching• quenching = Supraleiter wird normal leitend• Temperatur steigt lokal dramatisch an• Spulen-Energie wird in thermische umgewandelt• kann durch mJ-Schwankungen ausgelöst werden
mögliche Ursachen:• induzierte Ströme (siehe Rutherford-Kabel)• Bewegung des Supraleiters im µm-Bereich• vom Strahl deponierte Energie• Fehler im Kühlsystem
Gegenmaßnahmen:• der Quench muss detektiert werden• Strom des Magneten abstellen << 1 Sekunde• Strom der anderen Magnete fließt über Bypassdiode• Magnet wird geheizt (Quench Heater: 0,1 µm dicke Kupfer-Stahl-Schicht auf der Spule)
Energie verteilt sich im MagnetenWärmekapazität steigt
Supraleitfähigkeit vonNiobium-Titanium
B
I
T
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -71-
Inhalt1) Einleitung
1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)?1.2) Übersicht über den Aufbau1.3) Luminösität und Tuning
3) Vorbeschleuniger3.1) Protonenquelle und RFQ3.2) Linearbeschleuniger Linac23.3) Proton Synchrotron Booster3.4) Proton Synchrotron3.5) Super Proton Synchrotron
4) Der LHC-Ring4.1) Beschleunigung und Kavitäten4.2) Strahlführung und –fokussierung4.3) Das Kühlsystem4.4) Energie!4.5) Realisierung und Entwicklungsstand
5) Zusammenfassung
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -72-
Kälter als der Weltraum
Der kälteste Ring im Universum!
T1.9 K 2.728 K
Ph. Lebrun
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -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 -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(106 mal größer als Helium I)(mehrere 10² mal größer als Kupfer)
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -75-
Kühlung des Rings
1.8
1.82
1.84
1.86
1.88
1.9
1.92
0 3334 6668 10002 13336 16670 20004 23338 26672Distance [m]
Mag
net t
empe
ratu
re[K
]
Nominal operationStandby operation
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P1
Maximum allowed
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -76-
InterconnectionBox
Distribution Line
Magnet Cryostats
Cold CompressorBox
Warm CompressorStation
Shaft
Sur
face
Cav
ern
Tunn
el
LHC Sector (3.3 km)
Ex-LEP 4.5 K refrigerator 1.8 K Refrigeration Unit
Warm CompressorStation
Cold Box
Kryo-Knotenpunkt
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -77-
InterconnectionBox
Distribution Line
Magnet Cryostats
Cold Compressorbox
Warm CompressorStation
Shaft
Sur
face
Cav
ern
Tunn
el
LHC Sector (3.3 km)
Ex-LEP 4.5 K refrigerator 1.8 K Refrigeration Unit
Warm CompressorStation
Cold Box
Warm Compressor Station(Power Input ~4 MW)
Kryo-Knotenpunkt
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -78-
InterconnectionBox
Distribution Line
Magnet Cryostats
Cold CompressorBox
Warm CompressorStation
Shaft
Sur
face
Cav
ern
Tunn
el
LHC Sector (3.3 km)
Ex-LEP 4.5 K refrigerator 1.8 K Refrigeration Unit
Warm CompressorStation
Cold Box
Cold Box2,5 kg/min Verflüssigung
Kryo-Knotenpunkt
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -79-
InterconnectionBox
Distribution Line
Magnet Cryostats
Cold CompressorBox
Warm CompressorStation
Shaft
Sur
face
Cav
ern
Tunn
el
LHC Sector (3.3 km)
Ex-LEP 4.5 K refrigerator 1.8 K Refrigeration Unit
Warm CompressorStation
Cold Box
Warm Compressor Station(Power input ~450 kW)
Kryo-Knotenpunkt
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -80-
InterconnectionBox
Distribution Line
Magnet Cryostats
Cold CompressorBox
Warm CompressorStation
Shaft
Sur
face
Cav
ern
Tunn
el
LHC Sector (3.3 km)
Ex-LEP 4.5 K refrigerator 1.8 K Refrigeration Unit
Warm CompressorStation
Cold Box
Cold Compressor Box
Kryo-Knotenpunkt
Air LiquideCold Compressor box
IHI-LindeCold Compressor box
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -81-
Kühlung der Magnete
He II, statisch He-Leitungfließendes He II
MagnetHe-Wanne
Kühlsystem im LHC-Tunnel
He-Kühlungder Magnete
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -82-
Thermische Isolierung
Auflage aus Aluminium
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -83-
Thermische Isolierung
weitere Isolationsschichten
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -84-
Thermische Isolierung
Aluminiumhülle
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -85-
Thermische Isolierung
Vakuumröhre aus Karbon und Stahl
Inhalt
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -86-
1) Einleitung1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)?1.2) Übersicht über den Aufbau1.3) Luminösität und Tuning
3) Vorbeschleuniger3.1) Protonenquelle und RFQ3.2) Linearbeschleuniger Linac23.3) Proton Synchrotron Booster3.4) Proton Synchrotron3.5) Super Proton Synchrotron
4) Der LHC-Ring4.1) Beschleunigung und Kavitäten4.2) Strahlführung und –fokussierung4.3) Das Kühlsystem4.4) Energie!4.5) Realisierung und Entwicklungsstand
5) Zusammenfassung
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -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 -88-
Einschlagtests (SPS)
ungeplanter Einschlagstest, 4 x 72 Pakete in QP Vakuumkammer
geplanter Einschlagstest, 72 Pakete @ 450 GeV in Zinkplatte
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -89-
Strahl-Entsorgung
• nach 10 Stunden ist Luminosität auf etwa 1/3 gefallen
• Strahlstrom nur wenig reduziert
• Energie pro Strahl beträgt dann noch immer 200-300 MJ
• Strahlen werden in Dumpern entsorgt
Strahlabsorber (Grafit)
etwa 8 m
BetonabschirmungL. Bruno
Strahlachse
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -90-
Kollimator
P.Sievers / A.Ferrari / V.Vlachoudis
Strahl ± 3σ
56,0 mm
1 mm
± 8σ = 4,0 mm
R. Schmidt
• 99,9% der Protonen, die verlorengingen, werden vom Kollimatorgefiltert
• 2003: optimales Material nochnicht gefunden
• wird wahrscheinlich LHC limitieren
20 Pakete treffen KollimatorBeryllium: 500 °CGrafit: 1500 °Cdie meisten Metalle schmelzen
1) Einleitung1.1) Was ist der Large Hadron Collider (LHC)?1.2) Übersicht über den Aufbau1.3) Luminösität und Tuning
3) Vorbeschleuniger3.1) Protonenquelle und RFQ3.2) Linearbeschleuniger Linac23.3) Proton Synchrotron Booster3.4) Proton Synchrotron3.5) Super Proton Synchrotron
4) Der LHC-Ring4.1) Beschleunigung und Kavitäten4.2) Strahlführung und –fokussierung4.3) Das Kühlsystem4.4) Energie!4.5) Realisierung und Entwicklungsstand
5) Zusammenfassung
Inhalt
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -91-
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -92-
Logistik
allein wegen der Magnete:
• etwa 50000 t Material im Tunnel verbaut
• etwa 150000 t durch Europa gefahren
• viele Teile (Rohre, Magnete usw.) musstenindustriell gefertigt werden, bei minimalenProduktionstoleranzen
viele neue Verfahren und Geräte musstenentwickelt werden (siehe nächste Folie)
LHC-Entwicklung = Industrie-Entwicklung
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -93-
Innovation & Industrie
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleuniger J. Sammet -94-
Almost there…
• Beginn des LHC-Strahl-Betrieb inOktober/ November 2007
• zwei Monate Kalibrierungsläufebei 450 GeV
• Begin des 7 TeV Betriebs in 2008
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
Zusammenfassung
Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien LHC-Beschleunige J. Sammet -95-