LHC: Status und Ausblick Rüdiger Schmidt - CERN KET November 2003 Bad Honnef On behalf of the CERN staff and the outside collaborators Aussergewöhnliche Anzahl Beispiellose Komplexität Sehr hohe Energie im Strahl Herstellung von Komponenten Installation Inbetriebnahme und Operation

Überblick l LHC Parameter und Layout l Strahlen für den LHC – die Vorbeschleuniger l Magnete für den LHC l Vom Komponentenbau zur Inbetriebnahme l Strahlenergie und Beschleunigeroperation l Schlussfolgerung

Überblick l LHC Parameter und Layout l Strahlen für den LHC – die Vorbeschleuniger l Magnete für den LHC l Vom Komponentenbau zur Inbetriebnahme l Strahlenergie und Beschleunigeroperation l Schlussfolgerung

Momentum at collision 7 TeV/c Momentum at injection 450 GeV/c Dipole field at 7 TeV 8.33 Tesla Circumference26658m Luminosity cm -2 s -1 Number of bunches 2808 Particles per bunch DC beam current 0.56 A Stored energy per beam 350 MJ Normalised emittance3.75 µm Beam size at IP / 7 TeV15.9µm Beam size in arcs (rms)300µm Arcs: Counter-rotating proton beams in two- in-one magnets Magnet coil inner diameter 56 mm Distance between beams 194 mm High beam energy in LEP tunnel superconducting NbTi magnets at 1.9 K High luminosity at 7 TeV very high energy stored in the beam beam power concentrated in small area Limited investment small aperture for beams

LHC Layout Momentum Cleaning – nc magnets Betatron Cleaning – nc magnets Beam dump system RF + Beam instrumentation

1232 main dipoles multipole corrector magnets 392 main quadrupoles corrector magnets Regular arc: Magnets

Regular arc: Cryogenics Supply and recovery of helium with 26 km long cryogenic distribution line Static bath of superfluid helium at 1.9 K in cooling loops of 110 m length Connection via service module and jumper

Insulation vacuum for the cryogenic distribution line Regular arc: Vacuum Insulation vacuum for the magnet cryostats Beam vacuum for Beam 1 + Beam 2

Regular arc: Electronics Along the arc about crates with (radiation tolerant) electronics for: quench protection, power converters for orbit correctors and instrumentation (beam, vacuum + cryogenics)

Überblick l LHC Parameter und Layout l Strahlen für den LHC – die Vorbeschleuniger l Magnete für den LHC l Vom Komponentenbau zur Inbetriebnahme l Strahlenergie und Beschleunigeroperation l Schlussfolgerung

Autumn 2004 Komplex der LHC Vorbeschleuninger High intensity beam from the SPS into LHC at 450 GeV via TI2 and TI8 LHC accelerates to 7 TeV LEIR CPS SPS Booster LINACS LHC TI8 TI2 Ions protons Extraction Beam 1 Beam 2 Summer 2003 Spring 2006

Vorbeschleuniger l Schon jetzt werden Strahlen mit den nominalen Parametern für den LHC im SPS beschleunigt l Die Extraktion vom SPS mit einem neuen System wurde im Sommer 2003 erfolgreich in Betrieb genommen B.Goddard

TED4003 Beam transferred ~100m MKE kickers MSE septa TPSG TT40 magnets Extraktion vom SPS B.Goddard

Installation von Magneten in der Transferline …ab Dezember 2003

Überblick l LHC Parameter und Layout l Strahlen für den LHC – die Vorbeschleuniger l Magnete für den LHC l Vom Komponentenbau zur Inbetriebnahme l Strahlenergie und Beschleunigeroperation l Schlussfolgerung

1232 LHC Dipolmagnete l Herstellung von supraleitendem Material l Herstellung von supraleitenden Kabeln l Herstellung der kalten Masse l Einbau in den Kryostaten l Magnetmessung bei 1.9 K l Installation im Tunnel l Inbetriebnahme l Operation mit Strahl Industrie CERN

Supraleitende Kabel Oktober 2003 sc Kabel für Beschleuniger vom HERA Typ Dashboard - WWW

Supraleitende Dipolmagnete Oktober 2003

Dipolmagnete (kalte Massen) warten auf den Einbau in den Kryostaten

Quenchverhalten der LHC Dipolmagnete

Sextupol-Dipole Korrekturmagnete – 8/2003 August 2003

Sextupol-Dipole Korrekturmagnete – 10/2003 August 2003

Überblick l LHC Parameter und Layout l Strahlen für den LHC – die Vorbeschleuniger l Magnete für den LHC l Vom Komponentenbau zur Inbetriebnahme l Strahlenergie und Beschleunigeroperation l Schlussfolgerung

Integration und Installation l Platz im Tunnel und in den Untergrundbereichen begrenzt l Es müssen sehr viele Komponenten installiert werden l 3-D Computer Modell für Tunnel und Untergrundbereiche

Installation der Kryolinie im LHC Tunnel – ab Sommer 2003

Komplexität: eine von 1800 Verbindungen zwischen zwei supraleitenden Magneten Verbindungen für: Strahrohre Heliumrohre Kryostat Thermal shields Vakuumtank Viele Supraleitende

Bewältigung der Komplexität während der Inbetriebnahme Momentum Cleaning Betatron Cleaning Beam dump system RF + Beam instrumentation Ein LHC Sektor = 1/8 Layout des LHC: 8 Bögen, und 8 lange gerade Strecken

Von 2004 bis Herstellung von Komponenten Installation Strahl im Sektor 7-8Beide Strahlen hardware Inbetriebnahme Inbetriebnahme der einzelnen Systeme Inbetriebnahme der einzelnen Systeme in einem Sektor (Vakuum, Kryogenie, Quenchschutz, Interlocks, Stromversorgungsgeräte, etc.) Gemeinsame Inbetriebnahme aller Systems per Sektor - Gemeinsame Inbetriebnahme aller Systems per Sektor - bis zum Nominalstrom für alle elektrischen Kreise (220 Kreise pro Sektor)

Überblick l LHC Parameter und Layout l Strahlen für den LHC – die Vorbeschleuniger l Magnete für den LHC l Vom Komponentenbau zur Inbetriebnahme l Strahlenergie und Beschleunigeroperation l Schlussfolgerung

Kollimatoren und Schutz der Maschine Courtesy of R. Assmann Beschädigung von Komponenten und Quenchen von Magneten muss vermieden werden Transversale Energiedichte ist ein Mass für mögliche Beschädigungen durch unkontrollierten Strahlverlust Proportional zur Luminosität

Kollimatoren in IR 3 and IR 7, und in den anderen geraden Strecken Etwa 60 Kollimatoren werden in den LHC eingebaut l um Protonen mit grossen Amplituden in Bereichen mit normalleitenden Magneten zu abzufangen l im Fehlerfall sind die Kollimatoren die ersten Elemente, die vom Strahl getroffen werden

Stahllebensdauer bei nominalem Strahlstrom (7 TeV) Beam lifetime Beam power into equipment (1 beam) Comments 100 h1 kWHealthy operation 10 h10 kWOperation acceptable, collimation must absorb large fraction of beam energy 0.2 h500 kWOperation only possibly for short time, collimators must be very efficient 1 min6 MWFailure - operation not possible - beam must be dumped << 1 min> 6 MWBeam must be dumped VERY FAST Betriebsstörungen, z.B. ein Quench, gehören zur normalen Opearation und müssen eingeplant werden Collimators Beam dump

+- 3 ~1.3 mm Beam +/- 3 sigma 56.0 mm Strahl in Vakuumkammer mit beam screen bei 7 TeV

Teilchen müssen zuerst immer die Kollimatoren treffen! Kollimatoren müssen mehr als 99.98% der Teilchen auffangen Beam +/- 3 sigma +/- 8 sigma = 4.0 mm 1 mm +/- 8 sigma = 3.4 mm Kollimatoren bei 7 TeV - Luminositätsoptik 56.0 mm

Optimierung des Kollimationssystem l Auslegung des Kollimatorsystems – unter Berücksichtigung von Fehlerszenarien l Es werden robuste Kollimatoren gebraucht l Anstelle von Kupfer oder Aluminium werden nun Materialien mit kleinem Z (Kohlenstoff) bevorzugt l Oktober 2004 im SPS: Test eines Prototyp LHC Kollimator

Überblick l LHC Parameter und Layout l Strahlen für den LHC – die Vorbeschleuniger l Magnete für den LHC l Strahlenergie und Beschleunigeroperation l Vom Komponentenbau zur Inbetriebnahme l Schlussfolgerung

Schlussfolgerungen l Fabrikation von LHC Komponenten ist in vollem Gange l Gute Fortschritte bei der Fabrikation von Komponenten in der Verantwortung von anderen Labors (USA / Japan / Russland / Kanada / Indien) l Installation des LHC im Gange l Die Detailplanung für die Inbetriebnahme hat angefangen l Mehrere wichtige milestones zwischen heute und der Operation mit kollidierenden Strahlen l Hardware Commissioning ist von wesentlicher Bedeutung

l The LHC is a global project with the world-wide high- energy physics community devoted to its progress and results l As a project, it is much more complex and diversified than the SPS or LEP or any other large accelerator project constructed to date Machine Advisory Committee, chaired by Prof. M. Tigner, March 2002 L.Evans 2003 l No one has any doubt that it will be a great challenge for both machine to reach design luminosity and for the detectors to swallow it l However, we have a competent and experienced team, and 30 years of accumulated knowledge from previous CERN projects has been put into the LHC design