Protonenbeschleunigung

M. Minty 20.09.04

P-Intensität, Emittanz, und Dichte Überblick der erreichten Werte

Diskussion der beschleunigerphysikalischen Aspektein DESY-3, PETRA-P, und HERA-P

Überblick der Beschleunigerkette

Erreichte P-Intensitäten

höchste Verluste bei Injektion (bis ~50 ms) in DESY-3

DESY

PETRAP-Weg

HERA-P

Design

Einzelbunch-intensitäten in HERA (100 mA 7.3×1010)kleiner als Design (1011/Bunch)

relativer Strahlverlust (in Prozent)

mittleren Wert

spitzen Wert

DESY-3

PETRA

horizontal vertikal

Horizontal

Vertikal

Erreichte P-Emittanzen (Einheiten: π mm-mrad)

PETRA

signifikantes Wachsender Emittanzen als Funktionvom Gesamtstrom in DESY-3wie auch in PETRA

HERA

Daten: Maschinen-studien (mit 1 WWZ)2003

Daten: normalerBetrieb2004

(abweichende Erhöhung wegen Einflussder synchrobetatron Resonanz der Lep-tonen unter Kollisionen mit Protonen)

horizontal vertikal

bevor Kollisionen bevor Kollisionen

nach Kollisionen nach Kollisionen

in HERA mit Kollisionen sind dieEmittanzen im Durchschnitt unab-hängig vom Strom

horizontalvertikal

Transversale Emittanzen ( mm-mrad) mit Isb=81010

horizontal

vertikal

Longitudinale Emittanzen (eV-s) mit Isb=8×1010

Design

Emittanzen in HERAkleiner als Design

longitudinale Emittanz von MB-Instabilität in HERA bestimmt

Design

Erreichte transversale Dichten (~ Teilchen pro Bunch /Emittanz)

Optimierung der transversalen Dichte: Strahlverlust in den Vorbeschleuniger minimieren Emittanzerhaltung in HERA wenn die Strahlen zur Kollision gebracht werden

Design

horizontalvertikal

DESY-2

DESY-3

Magnetron und HF Quellen

Alvarez linac (3 Abschnitte, ~35 m)

Hochfrequenz: 202 MHz, 3.6 MW (Peak)

beschleunigerphysikalische Aspekte LINAC-3

Physikalische Aspekte: Raumladung Beam-LoadingOperationelle Aspekte: Variation der Energie über die Pulslänge Energieregelung mit fb/ffw

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 mAEmittanz (2) < 8 mm-mrad (Design)p = 310.5 MeV/c (T=50 MeV)p = 0.3 MeV/c (über den Puls projeziert)

beschleunigerphysikalische Aspekte DESY-3

H- Strip-Injektion (40 g/cm2 C Folie)1.21011 Protonen pro Puls (peak: 1.41011), Nb=11

p = (0.35-7.5) GeV/cBdot max = 0.53 T/sTransverse Emittanz, 2 = 18/8 mm-mradLongitudinale Emittanz, 2 = 0.115 eV-seinzelner Resonator, 16 kV mit h=11, f = (3.27-10.33) MHz

Gesamtstrom

horizontale Strahllage

Strahlverlustam Anfangder B, f, und VRampe

bei Ejektion

Design DESY-3 Optik bei Ejektionsenergie

Um die kurzen Bunchlängen zu erhalten, wird die Transition-Energie durchÄnderung der periodischen Dispersionsfunktion erhöht DESY: ext = 8.06 < t ~ 9.5 PETRA: t = 6.27 < inj = 8.06Toleranz des Dipolfelds bei Ejektion: dB/B<10-5

Physikalische Aspekte: Kreuzen der Übergangsenergie

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)

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$

(5.90, 4.80)

(6.23, 4.42)

Physikalische Aspekte: Raumladung bei Injektionsenergie

Tune-Footprint (mit gemessenenEmittanzen bei 200 mA, ange-nommene parabolische transversaleProfile, Bunching-Faktor 0.5)

grosser dynamischer Bereich (f =3.27 bis 10.33 MHz)analoge Signalverarbeitungtrapezförmige Frequenz-Beulen während der Rampe (Kontrolle der Strahllage)

RF Amplitude

Beam-Phase

Modulation (instrumentell?)

empirische Abweichung vom glatten Stromverlauf (wie für optimale adia- batisches Einfangen gerechnet)Eichung der Spannung bei Injektion?

Strahloszillationen bei Injektion

Operationelle Aspekte: Regulierung der Resonatorspannung

Operationelle Aspekte: Regulierung des Magnetfeldes

1-er2-er3-er

Ordnung Korrekturendes Dipolstroms

Dipolstrom:Polynom dritterOrdnung mit kontinuierlichenersten und zweitenAbleitungen

Ist-Soll Strom mit 1 mV gleich I/I =10-4 bei Ejektion = 410-6 bei Injektion

0.91011 Protonen pro Bunch (peak: 1.01011)6 Züge mit 10 Bunchen pro ZugBdot max = 12 mT/stransversale Emittanz, 2 = 14/11 mm-mradlongitudinale Emittanz, 2 = 0.151 eV-s2 Resonatoren, 70 kV/cavity, h=400

bei Ejektion

beschleunigerphysikalische Aspekte PETRA

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)

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

Spitzenstrom ~ 1/z

Resonator SpannungPhysikalische Aspekte:

Operationele Aspekte:

HERA

0.71011 Protonen per Bunch (peak: 0.81011)3 Züge mit je 60 BunchenBdot max = 8 mT/stransversale Emittanz, 2 = 18/16 mm-mradlongitudinale Emittance, 2 = 0.47 eV-s2 Cavities, 52 MHz, 120 kV/cavity, h=1100, 4 Cavities, 208 MHz, 190 kV/cavity, h=4400

unter Kollisionen

beschleunigerphysikalische Aspekte HERA

40-150 GeV/c: persistent Ströme und Korrektur der Chromatizität (mit ~ 400 s.c. Dipole mit B=5.6 T)

NbTi sc Kabel (I=6 kA)veränderliche persistenteStröme während der Rampe

Feldfehlern der Sextupole sc Referenzmagnete

Fehlerfelder mitfeed-forwardkompensiert; basiertauf Signalen von denReferenzmagnetenund manuellerKontrolle

~300

p (GeV/c)

150

70

40

Injektion bei 40 GeV/c: stromabhängige Lebensdauer durch Raumladung

Rampe bis 920 GeV/c: longitudinale multi-bunch Instabilität

Bunch Phasen als Funktion der Zeit (p~670 GeV/c)

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 desHour-Glass Effekts

longitudinale Emittanz vs time

Lumi-Betrieb: transversale Emittanzen während Kollisionen

andere Möglichkeit: koheränte Beam-Beam Resonanzen (Vorhersage undRechnungen von J. Shi, University of Kansas), die in Simulationen mit bestimmten Betatron-Tunes beobachtet werden:

koheränte vertikalle Oszillationen relative Erhöhung der Emittanz

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

Emittanzen mit Kollisionen:

Zusammenfassung (1)

Die Strahlintensität ist in den Vorbeschleunigern wesentlich höher als Design

In HERA ist die Intensität (mit 100 mA) etwa 30% kleiner als Design

Die transversalen Emittanzen sind in den Vorbeschleunigern stark stromabhängigdennoch wesentlich kleiner als Design

In HERA mit Kollisionen sind die Emittanzen im Durchschnitt unabhängig vomStrom 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

Intensität

Emittanz

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 vonder Strahldynamik in HERA bestimmt

Zusammenfassung (2) – beschleunigerphysikalische AspekteLINAC-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.