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Protonenbeschleunigung M. Minty 20.09.04 P-Intensität, Emittanz, und Dichte Überblick der erreichten Werte Diskussion der beschleunigerphysikalischen Aspekte.

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1 Protonenbeschleunigung M. Minty P-Intensität, Emittanz, und Dichte Überblick der erreichten Werte Diskussion der beschleunigerphysikalischen Aspekte in DESY-3, PETRA-P, und HERA-P

2 Überblick der Beschleunigerkette

3 Erreichte P-Intensitäten höchste Verluste bei Injektion (bis ~50 ms) in DESY-3 DESY PETRA P-Weg HERA-P Design Einzelbunch- intensitäten in HERA (100 mA 7.3×10 10 ) kleiner als Design (10 11 /Bunch) relativer Strahlverlust (in Prozent) mittleren Wert spitzen Wert

4 DESY-3 PETRA horizontalvertikal Horizontal Vertikal Erreichte P-Emittanzen (Einheiten: π mm-mrad) PETRA signifikantes Wachsen der Emittanzen als Funktion vom Gesamtstrom in DESY-3 wie auch in PETRA

5 HERA Daten: Maschinen- studien (mit 1 WWZ) 2003 Daten: normaler Betrieb 2004 (abweichende Erhöhung wegen Einfluss der synchrobetatron Resonanz der Lep- tonen unter Kollisionen mit Protonen) horizontalvertikal bevor Kollisionen nach Kollisionen in HERA mit Kollisionen sind die Emittanzen im Durchschnitt unab- hängig vom Strom horizontal vertikal

6 Transversale Emittanzen ( mm-mrad) mit I sb = horizontal vertikal Longitudinale Emittanzen (eV-s) mit I sb =8×10 10 Design Emittanzen in HERA kleiner als Design longitudinale Emittanz von MB-Instabilität in HERA bestimmt Design

7 Erreichte transversale Dichten (~ Teilchen pro Bunch /Emittanz) Optimierung der transversalen Dichte: Strahlverlust in den Vorbeschleuniger minimieren Emittanzerhaltung in HERA wenn die Strahlen zur Kollision gebracht werden Design horizontal vertikal

8 DESY-2 DESY-3 Magnetron und HF Quellen Alvarez linac (3 Abschnitte, ~35 m) Hochfrequenz: 202 MHz, 3.6 MW (Peak) beschleunigerphysikalische Aspekte LINAC-3 Physikalische Aspekte: Raumladung Beam-Loading Operationelle Aspekte: Variation der Energie über die Pulslänge Energieregelung mit fb/ffw 15 mA pro Puls (~30 s) bei 0.22 Hz, f rf =202 MHz H- Quelle 18 keV 60 mA (max) RFQ 750 keV 20 mA MEBT 750 keV 17 mA Tank 1 10 MeV 15 mA Tank 2 30 MeV 15 mA Tank 3 50 MeV 14 mA Emittanz (2 ) < 8 mm-mrad (Design) p = MeV/c (T=50 MeV) p = 0.3 MeV/c (über den Puls projeziert)

9 beschleunigerphysikalische Aspekte DESY-3 H - Strip-Injektion (40 g/cm 2 C Folie) Protonen pro Puls (peak: ), N b =11 p = ( ) GeV/c Bdot max = 0.53 T/s Transverse Emittanz, 2 = 18 /8 mm-mrad Longitudinale Emittanz, 2 = eV-s einzelner Resonator, 16 kV mit h=11, f = ( ) MHz Gesamtstrom horizontale Strahllage Strahlverlust am Anfang der B, f, und V Rampe bei Ejektion

10 Design DESY-3 Optik bei Ejektionsenergie Um die kurzen Bunchlängen zu erhalten, wird die Transition-Energie durch Änderung der periodischen Dispersionsfunktion erhöht DESY: ext = 8.06 < t ~ 9.5 PETRA: t = 6.27 < inj = 8.06 Toleranz des Dipolfelds bei Ejektion: dB/B<10 -5 Physikalische Aspekte: Kreuzen der Übergangsenergie Physikalische Aspekte: Landaudämpfung Weniger Landaudämpfung wenn die Verschiebung der kohärenten Synchrotron- Frequenz grösser wird als die Frequenzbreite des Bunches Verbesserungsmöglichkeit: zusätzliche Harmonic-Cavities (T. Sen, 1997)

11 Upgrade-Möglichkeiten: Booster Upgrade (IHEP, Protvino, 1996) T=800 MeV, h=2 Faktor 1/5 kleinerem Tune-Footprint M DM Linac Upgrade (Russian Academy of Sciences, 1996) T=160 MeV, begrenzt durch Geometrie: 33 m Faktor 1/2 kleinerem Tune-Footprint 12.6M US$ (5.90, 4.80) (6.23, 4.42) Physikalische Aspekte: Raumladung bei Injektionsenergie Tune-Footprint (mit gemessenen Emittanzen bei 200 mA, ange- nommene parabolische transversale Profile, Bunching-Faktor 0.5)

12 grosser dynamischer Bereich (f =3.27 bis MHz) analoge Signalverarbeitung trapezförmige Frequenz-Beulen während der Rampe (Kontrolle der Strahllage) RF Amplitude Beam-Phase Modulation (instrumentell?) empirische Abweichung vom glatten Stromverlauf (wie für optimale adia- batisches Einfangen gerechnet) Eichung der Spannung bei Injektion? Strahloszillationen bei Injektion Operationelle Aspekte: Regulierung der Resonatorspannung Operationelle Aspekte: Regulierung des Magnetfeldes 1-er 2-er 3-er Ordnung Korrekturen des Dipolstroms Dipolstrom: Polynom dritter Ordnung mit kontinuierlichen ersten und zweiten Ableitungen Ist-Soll Strom mit 1 mV gleich I/I =10 -4 bei Ejektion = bei Injektion

13 Protonen pro Bunch (peak: ) 6 Züge mit 10 Bunchen pro Zug Bdot max = 12 mT/s transversale Emittanz, 2 = 14 /11 mm-mrad longitudinale Emittanz, 2 = eV-s 2 Resonatoren, 70 kV/cavity, h=400 bei Ejektion beschleunigerphysikalische Aspekte PETRA

14 Raumladung bei Injektion: Q Laslett =0.1, mässig t < inj mit D x,max =13 m (gross) in den Bögen, ok (Erfahrung beim SPS mit D x,max =12 m für t < inj bei E inj =17 GeV 10 höherer Strom) Bunch Rotation bei Ejektion für Anpassung in HERA: optimale Spannung, oder h| |, Verhältnis 7.7; d.h. V HERA =20 kV mit V PETRA =150 kV (schwierig) Magnetregelung – bei Injektion anhand höherer Injektionsenergie weniger kritisch als bei DESY-3; Sättigung der Magnete bei Ejektionsenergie HF-Regelung – Toleranzen auch nicht so kritisch wie bei DESY-3; zusätzliche Beam-Loading Kompensation Orbit und Tune Kontrol Proton Bypass und Umfangsanpassung mit HERA (52 mm Abweichung vom Optimum) Synchronization wichtig Spitzenstrom ~ 1/ z Resonator Spannung Physikalische Aspekte: Operationele Aspekte:

15 HERA Protonen per Bunch (peak: ) 3 Züge mit je 60 Bunchen Bdot max = 8 mT/s transversale Emittanz, 2 = 18 /16 mm-mrad longitudinale Emittance, 2 = 0.47 eV-s 2 Cavities, 52 MHz, 120 kV/cavity, h=1100, 4 Cavities, 208 MHz, 190 kV/cavity, h=4400 unter Kollisionen beschleunigerphysikalische Aspekte HERA

16 GeV/c: persistent Ströme und Korrektur der Chromatizität (mit ~ 400 s.c. Dipole mit B=5.6 T) NbTi sc Kabel (I=6 kA) veränderliche persistente Ströme während der Rampe Feldfehlern der Sextupole sc Referenzmagnete Fehlerfelder mit feed-forward kompensiert; basiert auf Signalen von den Referenzmagneten und manueller Kontrolle ~300 p (GeV/c) Injektion bei 40 GeV/c: stromabhängige Lebensdauer durch Raumladung

17 Rampe bis 920 GeV/c: longitudinale multi-bunch Instabilität Bunch Phasen als Funktion der Zeit (p~670 GeV/c) Neue Diagnostik (E. Vogel): Erhöhung der Bunchlänge während der Rampe ist mit longitudinalen Instabilitäten korreliert Einfluss auf die erreichte Luminosität: zur Zeit ~10% Verkleinerung wegen des Hour-Glass Effekts longitudinale Emittanz vs time

18 Lumi-Betrieb: transversale Emittanzen während Kollisionen andere Möglichkeit: koheränte Beam-Beam Resonanzen (Vorhersage und Rechnungen von J. Shi, University of Kansas), die in Simulationen mit bestimmten Betatron-Tunes beobachtet werden: koheränte vertikalle Oszillationen relative Erhöhung der Emittanz Mindestens 2 mögliche Effekte: starke Abweichungen mit falschen Tunes höhere Emittanzen mit Kollisionen (teilweise durch nacheinanderfolgende Kollisionen in H1 und ZEUS erleichtert) Emittanzen mit Kollisionen:

19 Zusammenfassung (1) Die Strahlintensität ist in den Vorbeschleunigern wesentlich höher als Design In HERA ist die Intensität (mit 100 mA) etwa 30% kleiner als Design Die transversalen Emittanzen sind in den Vorbeschleunigern stark stromabhängig dennoch wesentlich kleiner als Design In HERA mit Kollisionen sind die Emittanzen im Durchschnitt unabhängig vom Strom mit mittleren Werten gleich dem Designwert (20 π mm-mrad) Die Erhaltung der Emittanzen wurde dadurch verbessert, indem die Kollisionen bei H1 und ZEUS nacheinander eingestellt werden Intensität Emittanz Dichte Die erreichten Intensitäten und Emittanzen weichen von Designwerten ab, jedoch ist die erreichte transversale Dichte in HERA fast gleich Design Die transversalen und longitudinalen Dichten sind zum grössten Teil von der Strahldynamik in HERA bestimmt

20 Zusammenfassung (2) – beschleunigerphysikalische Aspekte LINAC-3 (Raumladungseffekte und Beam-Loading Kompensation) DESY-3 Optik zur Vermeidung der Transition-Energie Landau Dämpfung Raumladung bei Injektionsenergie Regelung der HF-Spannung und Magneten (longitudinale Multi-Bunch Feedback) PETRA Optik zur Vermeidung der Transition-Energie Bunch-Rotation bei Ejektion Matching des Umfangs HERA Raumladung bei Injektionsenergie persistente Ströme bei p<150 GeV/c longitudinale Multi-Bunch Instabilität transversale Emittanzen mit Kollisionen (Maschinenstudien 8/04) Die erwarteten zukünftigen Verbesserungen entsprechen (15-20)% höherer Luminosität durch Erhaltung der transversalen Protonen-Emittanzen und eine Erhöhung von ~10% durch Verringerung der Protonen Bunchlänge. Mit reduzierter Bunchlänge entsteht die Möglichkeit eine weitere Erhöhung der Luminosität durch kleinere -Funktionen in den Wechselwirkungzonen zu erzielen.


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