Cherenkov fibers for beam loss monitoring at the CLIC two beam modules

Abstract

Die Compact Linear Collider (CLIC) Studie ist eine Machbarkeitsstudie zu einem Linearbeschleuniger mit einer nominellen Schwerpunkstenergie von 3TeV, basierend auf normalleitenden Beschleunigungskavitäten, welche mit sehr hohen Feldgradienten von 100MV/m operieren. Diese hohen Felder erfordern eine hohe Spitzenleistung, und daher wurde ein neues Energieversorgungskonzept, das CLIC Zwei-Beam-System, entwickelt, in dem ein hochintensiver Strahl mit geringer Teilchennergie, der Drive-Beam (DB), Energie bereitstellt für den Main-Beam (MB), einen hochenergetischen Teilchentrahl mit geringer Intensität. Entlang der Zwei-Beam-Module (TBM), aus denen der 2 *21km lange Linearbeschleuniger zusammengesetzt ist, ist ein Schutz vor Strahlverlusten notwendig, da die Strahlleistung sowohl des Main-Beams (14 MW), als auch des Drive-Beams (70MW) imposant ist. Um ernste Schäden an Maschinenkomponten und Betriebsunterbrechungen zu vermeiden, wurde ein generelles Maschinenschutzsystem (MPS) entwickelt. Das Beam-Loss-Monitoring (BLM) System ist ein Schlüsselelement dieses CLIC-Maschinenschutzsystems,dessen Hauptaufgabe es ist, potentiel gefährliche Strahlinstabilitäten zu erfassen und einen nachfolgende Injektion des Strahls in den MB-Linearbeschleuniger oder die DB-Entschleuniger zu vermeiden. Im Hinblick auf Kosten und die erforderliche Anzahl von Auslesekanälen stellen Cherenkov-Fiber eine vielversprechende Option für das BLM-System entlang des CLIC Linearbeschleunigers dar. Cherenkov-Fiber basieren auf der Idee, optische Fiber als Cherenkovlicht-Radiatoren zu verwenden. Ein Teil des Cherenkovlichts bleibt nach seiner Entsehung in der Fiber enthalten und wird zu einem Photodetektor an einem Ende der Fiber geleitet. Diese Arbeit präsentiert eine detaillierte Studie zur Technologie von Cherenkov-Fibern und setzt diese in Relation zu den Anforderungen an das BLM System für die CLIC TBMs. Die Arbeit von bereits existierenden Studien wurde erweitert zu einem analytischen Modell. Dieses bietet ein Tool, die Anzahl der den Photodetektor erreichendnen Photonen, in Abhängigkeit vershiedener Eigenschaften der Fiber und der geladenen Teilchen, zu berechnen. Weiters bietet es die Möglichkeit, die Ausbreitungsgeschwindigkeit jedes einzelnen, in die Fiber eingekoppelten, Photons zu berechnen. Anhand von Messungen mit optischen Multimode-Fasern, welche in einem hochenergetischen Protonen-Teststrahl bestrahlt wurden, konnte das Modell veriziert werden. Ergebnisse für die Lichtausbeute als Funkion des Faserdurchmessers und des Winkels zwischen dem Teilchenstrahl und der Achse der Faser werden vorgsetellt. Unter Verwendung des Monte-Carlo-Codes FLUKA wurden Simulationen für wichtige Strahlverlustscenarien an den CLIC-TBMs durchgeführt. Die simulierten Teilchenschauer wurden als Input für das entwickelte Modell verwendet um die Empfindlichkeit, den erforderlichen Dynamikbereich, die erzielbare longitudinale Auösung des Verlustortes und die Möglichkeit, Verluste beider Strahlen an den TBMs zu unterscheiden, zu untersuchen. Zuletzt wird die Limitierung der erzielbaren longitudinalen Auflösung des Verlustortes in Verbindung mit Multi-Bunch-Zügen, wie sie im CLIC verwendet werden, diskutiert.

The Compact Linear Collider (CLIC) study is a feasibility study aiming at a nominal center of mass energy of 3TeV and is based on normal conducting travelling-wave accelerating structures, operating at very high field gradients of 100 MV/m. Such high fields require high peak power and hence a novel power source, the CLIC two beam system, has been developed, in which a high intensity, low energy drive beam (DB) supplies energy to a high energy, low intensity main beam (MB). At the Two Beam Modules (TBM), which compose the 2*21km long CLIC main linac, a protection against beam losses resulting from badly controlled beams is necessary and particularly challenging, since the beam power of both main beam (14MW) and drive beam (70MW) is impressive. To avoid operational downtimes and severe damages to machine components, a general Machine Protection System (MPS) scheme has been developed. The Beam Loss Monitoring (BLM) system is a key element of the CLIC machine protection system. Its main role will be to detect potentially dangerous beam instabilities and prevent subsequent injection into the main beam linac and drive beam decelerators. In terms of cost and the required number of channels, Cherenkov fibers are a promising option for the BLM system along the CLIC main linac. Cherenkov fibers are based on the idea of using optical fibers as a Cherenkov light radiator. After its production, a fraction of the Cherenkov light is trapped and guided to a photodetector at one end of the fiber by means of total reflection. This thesis presents a detailed study on the features of the technology of Cherenkov fibers and relates them to the requirements of the BLMs for the CLIC TBMs.<br />The work of pre-existing studies was extended to an analytical model that provides a tool to calculate the number of photons reaching the photodetector and their propagation velocities along the fiber as a function of various properties of the fiber and the crossing particle.<br />Measurements to verify the model, using a multimode optical fiber irradiated at a high momentum proton test beam have been carried out.<br />Light yields as a function of fiber diameter, and the angle between the beam and the fiber axes are presented. Using the Monte Carlo code FLUKA , simulations on decisive beam loss scenarios for the CLIC TBM were performed. The simulated particle showers were used as an input for the developed model in order to study the sensitivity, the required dynamic range, the achievable longitudinal resolution of the loss location, and the ability to distinguish losses originating from either beam of the TBMs. Finally the limitations on the attainable longitudinal resolution of the loss location with respect to multi-bunch trains as used in CLIC are discussed.<br />