Title: Quench protection of the LHC quadrupole magnets
Language: English
Authors: Kurfürst, Christoph
Qualification level: Diploma
Keywords: CERN; LHC; Supraleitung; Teilchenstrahlverluste; Magnete; Teilchenstrahlsimulationen; Ionisationskammer
CERN; LHC; Superconductivity; Beam losses; Magnets; Particle shower simulations; Ionisation chamber; Quench
Advisor: Fabjan, Christian
Issue Date: 2010
Number of Pages: 105
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Der am CERN aufgebaute Large Hadron Collider (LHC) ist der weltweit leistungsst ärkste Teilchenbeschleuniger und Speicherring. Die Inbetriebnahme des LHC ermöglicht neue Entdeckungen in der Teilchenphysik bei bisher unerreichter Teilchenenergie und Intensität. Diese Kombination aus hoher Energie und Intensität kann zu Teilchenverlusten mit schwerwiegenden Konsequenzen für die Elemente des LHC führen. Um diese Komponenten zu schützen und operative Verluste zu messen wurde ein Beam Loss Monitoring System entlang des Ringes installiert. Der Schutz wird gewährleistet, indem der Strahl extrahiert wird im Falle zu hoher Teilchenverluste.
Die Schwellenwerte für Verluste, die Schaden verursachen, werden mit Hilfe von Teilchenschauersimulationen abgeschätzt. Die Simulationsgeometrie und die Modelle der physikalischen Prozesse müssen möglichst realistisch sein, um eine optimale Verlustschwelle bestimmen zu können und somit eine hohe Betriebsbereitschaft des LHC zu ermöglichen.
In dieser Arbeit werden Teilchenverluste in der Nähe der Verbindung zwischen dem Hauptdipolmagneten und dem Hauptquadrupolmagneten des LHC untersucht.
Sechs Detektoren sind in der studierten Region installiert, jeweils drei davon pro Strahllinie. Als Protonenimpaktverteilung wurden zwei Verlustmuster angenommen:
eines hergeleitet mittels Teilchentrackingsimulationen und das andere mittels analytischer Berechnungen mit Hilfe der optischen Strahlparameter.
Anhand der Teilchenschauersimulationen können Rückschlüsse über den Zusammenhang zwischen der Energieablage in der Spule des Magneten und der gemessenen Signale in den Detektoren gezogen werden. Die Energiedeposition im Supraleiter führt zu einer Temperaturerhöhung. Im Falle des Erreichens der kritischen Temperatur tritt der Übergang zum normalleitenden Zustand ein. Dieser Übergang wurde für stationäre und instationäre Verluste analysiert. Die fundamentalen Parameter hierfür sind jeweils die kritische Leistungsdichte und die Enthalpietoleranz.
Die Stärke des von den Monitoren gemessenen Signals ist abhängig vom Verlustmuster.
Die Rekonstruktion der Teilchenverluste konnte geprüft werden. Zur Absch ätzung der Position der maximalen Verluste, wurde eine spezielle Methode entwickelt.
Zusätzlich wurden Schwellenwerte für zwei Protektionsstrategien berechnet und es konnte eine Optimierung der Detektorpositionen vorgeschlagen werden, sodass der geschützte Bereich bis zu dem strahlaufwärts gelegenen Dipolmagnet erweitert werden könnte.
Erste gemessene Strahlverluste des LHC wurden analysiert um die Ergebnisse der Simulationen anhand der Messdaten zu verifizieren und so Schlussfolgerungen über die Simulationsgenauigkeit und die beobachteten Verlustmuster ziehen zu können.
Die Anfangseinstellungen des Beam Loss Monitoring Systems für den LHC Betrieb in 2010 im Falle stationärer Verluste wurden bestimmt. Die Schwellenwerte für einen Schutz der Supraleiter vor einen Übergang zum normalleitenden Zustand sind in der Höhe von 1520 myGy, bei einer Teilchenstrahlenergie von 450 GeV und 178 myGy bei 7 TeV f¨ur die erste Ionisationskammer. Für den zweiten Detektor sind die entsprechenden Werte 575 myGy und 29.7 myGy.
Im Falle instationärer Verluste sind die ermittelten und verwendeten Schwellenwerte für die erste Ionisationskammer 4960 myGy/s bei einer Teilchenstrahlenergie von 450 GeV und 1876 myGy/s bei 7 TeV. Für den zweiten Detektor sind die entsprechenden Werte 3789 myGy/s und 805 myGy/s.

CERNs Large Hadron Collider (LHC) is a new high energy proton accelerator and storage ring. Its design allows to reach unprecedented beam energies and beam intensities, resulting in a largely increased particle physics discovery potential. The combination of its high beam energy and intensity may lead to beam losses which can have a severe impact on the LHC equipment and damage sensitive elements. To protect those and to measure operational losses, a Beam Loss Monitoring system has been installed all along the ring. The protection is achieved by extracting the beam from the ring in case thresholds imposed on measured radiation levels are exceeded.
The thresholds are estimated through particle shower simulations. The simulated geometry and physic processes need to be precise in order to determine an optimum value, which therefore assures a high availability of the LHC for operation.
This study is focused on the interconnection region between the main dipole and the main quadrupole magnet of the LHC. Six monitors are placed around the interconnection, three for each beam line. As proton impact location two loss patterns are assumed: one derived from halo particle tracking simulations and the other through analytic calculations relying on optical beam parameters.
Particle shower simulations make the link between the amount of energy deposited in the superconducting coil and the signal measured in the ionisation chambers. The energy deposition in the coil results in its temperature increase. In case a critical temperature is exceeded, a transition from the superconducting state to the normal conducting one will occur. This transition is called a quench and is analysed for steady state and for fast transient losses. The fundamental parameters for the analysis are the critical power density and the enthalpy margin respectively.
The combination of the detector signals allows the reconstruction of the loss pattern.
Also the quench-protecting thresholds for two protection schemes have been evaluated and an optimisation of the detector positions in order to extend the protected area to the upstream main dipole magnet is proposed.
First LHC results are used to verify the simulations and considerations with measurements, so that conclusions about the simulation accuracy and observed loss patterns could be drawn.
For transient losses the quench protecting threshold used as initial setting in the Beam Loss Monitoring system for the 2010 run is for the first ionisation chamber of 1520 myGy at injection energy and 178 myGy at 7 TeV beam energy. For the second detector the respective values are 575 myGy and 29.7 myGy.
For steady state losses the used threshold for the first ionisation chamber is 4960 myGy/s at injection energy and 1876 myGy/s at collision energy. For the second detector the respective values are 3789 myGy/s and 805 myGy/s.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-37041
http://hdl.handle.net/20.500.12708/10556
Library ID: AC07807575
Organisation: E141 - Atominstitut 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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