Very Fast Losses of the Circulating LHC Beam, their Mitigation and Machine Protection

Abstract

The Large Hadron Collider (LHC) has a nominal energy of 362MJ stored in each of its two counter-rotating beams - over two orders of magnitude more than any previous accelerator and enough to melt 880kg of copper. Therefore, in case of abnormal conditions comprehensive machine protection systems extract the beams safely from the LHC within not more than three turns (≈270μs). The first years of LHC operation demonstrated a remarkable reliability of the major machine protection systems. However, they also showed that the LHC is vulnerable to losses of the circulating beams on very fast timescales, which are too fast to ensure an active protection.

Very fast equipment failures, in particular of normal-conducting dipole magnets and the transverse damper can lead to such beam losses. Whereas these failures were already studied in the past, other unexpected beam loss mechanisms were observed after the LHC start-up: so-called (un)identified falling objects (UFOs), which are believed to be micrometer-sized macro particles, lead to beam losses with a duration of a few LHC turns when interacting with the beams. UFOs have significantly affected the LHC availability and may become a major performance limitation for future LHC operation. Another unconsidered beam loss mechanism is the sudden absence of the long-range beam-beam interactions after the extraction of a single beam. This leads to significant losses of the counter-rotating beam within a single turn. In the long-term future, crab cavities will be installed in the LHC with the High-Luminosity LHC (HL-LHC) upgrade in 2022/23. However, in a failure case, they can lead to large beam trajectory perturbations and related beam losses within the reaction time of the machine protection systems.

The focus of this thesis is on very fast losses of the circulating LHC beams, their mitigation and the related protection of the LHC. The operational experience from the first LHC run, dedicated studies and the state of knowledge are summarized. Extrapolations for mid-term and long-term future are presented and mitigation strategies and optimizations of the machine protection systems are discussed.

Der Large Hadron Collider (LHC) hat in jedem seiner zwei gegenläufig zirkulierenden Strahlen eine nominelle Energie von 362MJ gespeichert - über zwei Größenordnungen mehr als jeder bisherige Teilchenbeschleuniger und ausreichend, um 880kg Kupfer zu schmelzen. Im Falle von anomalen Bedingungen gewährleisten umfangreiche Maschinensicherheitssysteme, dass die Strahlen in bis zu drei Umläufen (≈270μs) sicher aus der Maschine extrahiert werden. Die ersten Jahre LHC Betrieb haben eine beeindruckende Verlässlichkeit der wichtigsten Maschinensicherheitssysteme demonstriert. Es zeigte sich aber auch, dass der LHC anfällig ist für Verluste der zirkulierenden Strahlen auf sehr schnellen Zeitskalen, die zu schnell sind, um aktive Schutzmaßnahmen gewährleisten zu können.

Sehr schnelle Betriebsfehler, insbesondere der normalleitenden Dipolmagnete und des transversalen Dämpfers, können derartige Verluste verursachen. Während diese Fehler bereits in der Vergangenheit untersucht wurden, sind nach der Inbetriebnahme des LHCs auch andere unerwartete Strahlverlustmechanismen beobachtet worden: Sogenannte (un)identifizierte fallende Objekte (UFOs), die höchstwahrscheinlich Mikrometer große Staubteilchen sind, verursachen, wenn sie mit dem Strahl interagieren, Strahlverluste mit einer Dauer von wenigen LHC Umläufen. UFOs haben die Effizienz des LHCs beeinträchtigt und stellen eine möglicherweise wesentliche Einschränkung für den zukünftigen Strahlbetrieb des LHCs dar. Ein weiterer unberücksichtigter Strahlverlustmechanismus basiert auf der plötzlichen Abwesenheit der Strahl-Strahl Wechselwirkungen nach der Extraktion eines einzelnen Strahls. Dies führt innerhalb von einem Umlauf zu signifikanten Verlusten des gegenläufigen Strahls. Langfristig werden mit dem High-Luminosity LHC (HL-LHC) Upgradeprogramm 2022/23 sogenannte Crab Kavitäten im LHC installiert. Diese können im Fehlerfall zu großen Strahloszillationen und daraus resultierenden Strahlverlusten innerhalb der Reaktionszeit der Maschinensicherheitssysteme führen.

Der Fokus dieser Arbeit liegt auf sehr schnellen Verlusten der zirkulierenden LHC Strahlen, entsprechenden Gegenmaßnahmen und den damit verbundenen Aspekten der Maschinensicherheit. Die Betriebserfahrungen des ersten LHC Betriebslaufs, spezifische Studien und der aktuelle Wissensstand sind zusammengefasst. Mittel- und langfristige Extrapolationen werden präsentiert und zusammen mit Gegenmaßnahmen und Verbesserungen der Maschinensicherheitssysteme diskutiert.