Title: Beam phase and intensity monitoring for the Compact Muon Solenoid experiment
Language: English
Authors: Aumeyr, Thomas 
Qualification level: Diploma
Keywords: CERN; CMS; Teilchenstrahl; Überwachung; Zeitsteuerung; Position
CERN; CMS; Beam; Monitoring; Timing; Position
Advisor: Fabjan, Christian
Issue Date: 2008
Number of Pages: 79
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Das Compact Muon Solenoid (CMS) Experiment ist ein großer Teilchendetektor am Large Hadron Collider (LHC), einem Proton-Proton-Ringbeschleuniger am CERN. Im Inneren von CMS werden Protonenpakete alle 25 ns ihre Bahnen kreuzen. Die Protonenpakete werden eine Energie von 7 TeV besitzen, was in einer Gesamtkollisionsenergie von 14 TeV resultiert. Verschiedene Subdetektoren, wie z.B. Tracker, Spektrometer and Kalorimeter, werden diese Kollisionen untersuchen. Um eine korrekte Zeitsteuerung der Datenaufnahme in den Subdetektoren zu garantieren, muss eine konstante Phase zwischen einem Taktsignal und den Ankunftszeiten der Protonenpakete im Detektor eingehalten werden.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Entwicklung, der Umsetzung und dem Testen eines Systems genannt Beam Pick-Up Timing Experiment (BPTX). Das System besteht aus zwei elektrostatischen Pick-Up-Stationen, die ungefähr 175 m vom Interaktionspunkt entfernt auf beiden Seiten des Detektors installiert wurden. Die Pick-Up-Detektoren setzen sich aus vier Kreiselektroden zusammen und wurden entlang des LHCs gebaut, um die Teilchenstrahlen zu überwachen. Jedes Protonenpaket, das eine dieser beiden Stationen passiert, erzeugt ein Signal, welches sowohl für die Überwachung der Zeitsteuerung and der Struktur der einfallenden Strahlen als auch der Kenndaten der einzelnen Pakete verwendet werden kann.
Das Ausleseverfahren für das BPTX-System basiert auf der Verwendung eines kommerziellen 4-Kanal-Oszillskops, das alle 1-2 Sekunden einen ganzen LHC-Orbit mit einer Zeitauflösung von 200 ps aufzeichnen wird.
Nachdem die Verarbeitungssoftware die interessanten Parameter jedes einzelnen Pakets (Länge, Intensität und Ankunftszeit) bestimmt hat, wird die Phase in Verhältnis zum Takt des Experiments berechnet. Diese Information kann dann dazu verwendet werden, die Phasenverschiebung des Takts abzustimmen.
Da die Signale von den BPTX-Detektoren auch Informationen über das Füllschema der zwei Teilchenstrahlen enthalten, bietet das System darüberhinaus eine Möglichkeit, deren Struktur zu überwachen. Daher können sogenannte Geisterpakete maßgeblicher Größe erkannt werden.

The Compact Muon Solenoid (CMS) experiment is a large general-purpose particle physics detector on the proton-proton Large Hadron Collider (LHC) at CERN. Inside CMS bunches of protons will cross paths every 25 ns. The proton bunches will each have an energy of 7 TeV, resulting a total collision energy of 14 TeV. Various subdetectors such as trackers, spectrometers and calorimeters will study these interactions. To ensure correct timing of the data taking in the subdetectors, the stable phase between a clock signal and the bunch crossing must be maintained.
The focus of this thesis is the design, implementation and testing of a system called the Beam Pick-up Timing Experiment (BPTX). It is a system of two electrostatic pick-up stations installed on each side of the detector, about 175 m away from Point 5. Consisting of four button electrodes, the pick-up detectors are installed along the LHC to monitor the incoming beams. Each proton bunch passing by one of these stations causes a signal which can be used for monitoring the timing and the structure of the incoming beams as well as the characteristics of individual bunches.
The read-out developed for the BPTX system is based on the use of a commercial 4-channel oscilloscope, which will capture a full LHC orbit every 1-2 seconds with a time resolution of 200 ps. After the processing software determines the interesting parameters for each individual bunch (i.e. length, intensity, amplitude and arrival time), the phase with respect to the experimental clock is calculated. This information can then be used to adjust the phase shift of the clock.
In addition, since the signals from the BPTX detectors also contain information about the filling scheme of the two particle beams, the system can provide a possibility of monitoring their structure. Thus, so-called ghost bunches of significant size can be identified.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-29643
http://hdl.handle.net/20.500.12708/11826
Library ID: AC05037183
Organisation: E141 - Atominstitut der Österreichischen Universitäten 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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