Protonenbeschleunigung M. Minty 20.09.04 P-Intensität, Emittanz, und Dichte Überblick der erreichten Werte Diskussion der beschleunigerphysikalischen Aspekte in DESY-3, PETRA-P, und HERA-P

Überblick der Beschleunigerkette

Erreichte P-Intensitäten mittleren Wert spitzen Wert Einzelbunch- intensitäten in HERA (100 mA  7.3×1010) kleiner als Design (1011/Bunch) Design relativer Strahlverlust (in Prozent) DESY PETRA P-Weg höchste Verluste bei Injektion (bis ~50 ms) in DESY-3 HERA-P

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

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

Transversale Emittanzen ( mm-mrad) mit Isb=81010 Design horizontal vertikal Emittanzen in HERA kleiner als Design Longitudinale Emittanzen (eV-s) mit Isb=8×1010 longitudinale Emittanz von MB-Instabilität in HERA bestimmt Design

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

beschleunigerphysikalische Aspekte LINAC-3 DESY-2 Hochfrequenz: 202 MHz, 3.6 MW (Peak) DESY-3 Alvarez linac (3 Abschnitte, ~35 m) Magnetron und HF Quellen 15 mA pro Puls (~30 s) bei 0.22 Hz, frf=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 = 310.5 MeV/c (T=50 MeV) p = 0.3 MeV/c (über den Puls projeziert) Physikalische Aspekte: Raumladung Beam-Loading Operationelle Aspekte: Variation der Energie über die Pulslänge Energieregelung mit fb/ffw

beschleunigerphysikalische Aspekte DESY-3 Gesamtstrom horizontale Strahllage H- Strip-Injektion (40 g/cm2 C Folie) 1.21011 Protonen pro Puls (peak: 1.41011), Nb=11 p = (0.35-7.5) GeV/c Bdot max = 0.53 T/s Transverse Emittanz, 2 = 18/8 mm-mrad Longitudinale Emittanz, 2 = 0.115 eV-s einzelner Resonator, 16 kV mit h=11, f = (3.27-10.33) MHz Strahlverlust am Anfang der B, f, und V Rampe bei Ejektion

Physikalische Aspekte: Kreuzen der Übergangsenergie 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 Design DESY-3 Optik bei Ejektionsenergie 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)

Physikalische Aspekte: Raumladung bei Injektionsenergie (5.90, 4.80) Tune-Footprint (mit gemessenen Emittanzen bei 200 mA, ange- nommene parabolische transversale Profile, Bunching-Faktor 0.5) (6.23, 4.42) Upgrade-Möglichkeiten: Booster Upgrade (IHEP, Protvino, 1996) T=800 MeV, h=2 Faktor 1/5 kleinerem Tune-Footprint 13.75 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$

Operationelle Aspekte: Regulierung der Resonatorspannung grosser dynamischer Bereich (f =3.27 bis 10.33 MHz) analoge Signalverarbeitung trapezförmige Frequenz-Beulen während der Rampe (Kontrolle der Strahllage) Modulation (instrumentell?) empirische Abweichung vom glatten Stromverlauf (wie für optimale adia- batisches Einfangen gerechnet) Eichung der Spannung bei Injektion? Strahloszillationen bei Injektion RF Amplitude Beam-Phase Operationelle Aspekte: Regulierung des Magnetfeldes Dipolstrom: Polynom dritter Ordnung mit kontinuierlichen ersten und zweiten Ableitungen 1-er Ist-Soll Strom mit 1 mV gleich I/I =10-4 bei Ejektion = 410-6 bei Injektion Ordnung Korrekturen des Dipolstroms 2-er 3-er

beschleunigerphysikalische Aspekte PETRA 0.91011 Protonen pro Bunch (peak: 1.01011) 6 Züge mit 10 Bunchen pro Zug Bdot max = 12 mT/s transversale Emittanz, 2 = 14/11 mm-mrad longitudinale Emittanz, 2 = 0.151 eV-s 2 Resonatoren, 70 kV/cavity, h=400 bei Ejektion

Physikalische Aspekte: Resonator Spannung Raumladung bei Injektion: QLaslett=0.1, mässig t < inj mit Dx,max=13 m (gross) in den Bögen, ok (Erfahrung beim SPS mit Dx,max=12 m für t < inj bei Einj=17 GeV  10 höherer Strom) Bunch Rotation bei Ejektion für Anpassung in HERA: optimale Spannung, oder h||, Verhältnis 7.7; d.h. VHERA=20 kV mit VPETRA=150 kV (schwierig) Spitzenstrom ~ 1/z Operationele Aspekte: 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

beschleunigerphysikalische Aspekte HERA 0.71011 Protonen per Bunch (peak: 0.81011) 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 HERA unter Kollisionen

Injektion bei 40 GeV/c: stromabhängige Lebensdauer durch Raumladung 40-150 GeV/c: persistent Ströme und Korrektur der Chromatizität (mit ~ 400 s.c. Dipole mit B=5.6 T) veränderliche persistente Ströme während der Rampe NbTi sc Kabel (I=6 kA) Feldfehlern der Sextupole sc Referenzmagnete p (GeV/c) Fehlerfelder mit feed-forward kompensiert; basiert auf Signalen von den Referenzmagneten und manueller Kontrolle 150 ~300 70 40

Rampe bis 920 GeV/c: longitudinale multi-bunch Instabilität Bunch Phasen als Funktion der Zeit (p~670 GeV/c) longitudinale Emittanz vs time 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

Lumi-Betrieb: transversale Emittanzen während Kollisionen Emittanzen mit Kollisionen: Mindestens 2 mögliche Effekte: starke Abweichungen mit falschen Tunes höhere Emittanzen mit Kollisionen (teilweise durch nacheinanderfolgende Kollisionen in H1 und ZEUS erleichtert) 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

Zusammenfassung (1) Intensität Emittanz Dichte Die Strahlintensität ist in den Vorbeschleunigern wesentlich höher als Design In HERA ist die Intensität (mit 100 mA) etwa 30% kleiner als Design Emittanz 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 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

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.