LHC: Status und Ausblick Rüdiger Schmidt - CERN KET November 2003 Bad Honnef On behalf of the CERN staff and the outside collaborators Aussergewöhnliche.

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1 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

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3 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

4 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

5 Momentum at collision 7 TeV/c Momentum at injection 450 GeV/c Dipole field at 7 TeV 8.33 Tesla Circumference26658m Luminosity 10 34 cm -2 s -1 Number of bunches 2808 Particles per bunch 1.1 10 11 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

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

7 1232 main dipoles + 3700 multipole corrector magnets 392 main quadrupoles + 2500 corrector magnets Regular arc: Magnets

8 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

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

10 Regular arc: Electronics Along the arc about 10000 crates with (radiation tolerant) electronics for: quench protection, power converters for orbit correctors and instrumentation (beam, vacuum + cryogenics)

11 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

12 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 3 4 5 6 7 8 1 2 TI8 TI2 Ions protons Extraction Beam 1 Beam 2 Summer 2003 Spring 2006

13 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

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

15 Installation von Magneten in der Transferline …ab Dezember 2003

16 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

17 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

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

19 Supraleitende Dipolmagnete Oktober 2003

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

21 Quenchverhalten der LHC Dipolmagnete

22 Sextupol-Dipole Korrekturmagnete – 8/2003 August 2003

23 Sextupol-Dipole Korrekturmagnete – 10/2003 August 2003

24 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

25 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

26 Installation der Kryolinie im LHC Tunnel – ab Sommer 2003

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

28 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

29 Von 2004 bis 2007 20052004 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 20062007 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 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)

30 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

31 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

32 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

33 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

34 +- 3 ~1.3 mm Beam +/- 3 sigma 56.0 mm Strahl in Vakuumkammer mit beam screen bei 7 TeV

35 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

36 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

37 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

38 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

39 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