LHC Status und Ausblick Rdiger Schmidt CERN KET

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

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 Momentum at injection Dipole field at 7 Te. V Circumference 7 Te. V/c 450 Ge. V/c 8. 33 Tesla 26658 m High beam energy in LEP tunnel superconducting Nb. Ti magnets at 1. 9 K Luminosity Number of bunches Particles per bunch DC beam current Stored energy per beam 1034 cm-2 s-1 2808 1. 1 1011 0. 56 A 350 MJ High luminosity at 7 Te. V very high energy stored in the beam Normalised emittance Beam size at IP / 7 Te. V Beam size in arcs (rms) 3. 75 15. 9 300 µm µm µm Arcs: Counter-rotating proton beams in twoin-one magnets Magnet coil inner diameter 56 mm Distance between beams 194 mm beam power concentrated in small area Limited investment small aperture for beams

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

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

Regular arc: Connection via service module and jumper Supply and recovery of helium with 26 km long cryogenic distribution line Cryogenics Static bath of superfluid helium at 1. 9 K in cooling loops of 110 m length

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

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)

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Komplex der LHC Vorbeschleuninger Beam 2 Beam 1 5 LHC 4 Extraction 3 2 SPS Summer 2003 TI 2 protons LINACS Spring 2006 6 1 Booster 7 TI 8 8 Autumn 2004 CPS Ions LEIR High intensity beam from the SPS into LHC at 450 Ge. V via TI 2 and TI 8 LHC accelerates to 7 Te. V

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

MKE kickers Extraktion vom SPS MSE septa TPSG TT 40 magnets TED 4003 TT 40 magnets B. Goddard Beam transferred ~100 m

Installation von Magneten in der Transferline …ab Dezember 2003

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Industrie 1232 LHC Dipolmagnete l l CERN l l Herstellung von supraleitendem Material Herstellung von supraleitenden Kabeln Herstellung der kalten Masse Einbau in den Kryostaten Magnetmessung bei 1. 9 K Installation im Tunnel Inbetriebnahme Operation mit Strahl

Supraleitende Kabel W d r oa -W W Oktober 2003 b h as D sc Kabel für Beschleuniger vom HERA Typ

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

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Integration und Installation l l l Platz im Tunnel und in den Untergrundbereichen begrenzt Es müssen sehr viele Komponenten installiert werden 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 RF + Beam instrumentation Betatron Cleaning Layout des LHC: 8 Bögen, und 8 lange gerade Strecken Beam dump system Ein LHC Sektor = 1/8 Momentum Cleaning

Von 2004 bis 2007 Inbetriebnahme der einzelnen Systeme in einem Sektor (Vakuum, Kryogenie, Quenchschutz, Interlocks, Stromversorgungsgeräte, etc. ) Gemeinsame Inbetriebnahme aller Systems per Sektor - bis zum Nominalstrom für alle elektrischen Kreise (220 Kreise pro Sektor) Herstellung von Komponenten Installation “hardware” Inbetriebnahme Strahl im Sektor 7 -8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2004 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2005 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2006 Beide Strahlen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2007

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

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

Beam dump Collimators Stahllebensdauer bei nominalem Strahlstrom (7 Te. V) Beam lifetime Beam power into equipment (1 beam) Comments 100 h 1 k. W Healthy operation 10 h 10 k. W Operation acceptable, collimation must absorb large fraction of beam energy 0. 2 h 500 k. W Operation only possibly for short time, collimators must be very efficient 1 min 6 MW Failure - operation not possible - beam must be dumped << 1 min > 6 MW Beam must be dumped VERY FAST Betriebsstörungen, z. B. ein Quench, gehören zur normalen Opearation und müssen eingeplant werden

56. 0 mm +- 3 ~1. 3 mm Beam +/- 3 sigma Strahl in Vakuumkammer mit “beam screen” bei 7 Te. V

56. 0 mm 1 mm +/- 8 sigma = 4. 0 mm +/- 8 sigma = 3. 4 mm Kollimatoren bei 7 Te. V Luminositätsoptik Beam +/- 3 sigma Teilchen müssen zuerst immer die Kollimatoren treffen! Kollimatoren müssen mehr als 99. 98% der Teilchen auffangen

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 highenergy 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 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 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 L. Evans 2003