Design of injection and extraction systems with optimisation of lattice and layout for the CERN PS2 synchrotron

Abstract

Das CERN Proton Synchrotron 2 (PS2) ist einer der geplanten Beschleuniger für die Erneuerung der LHC Injektorkette. Das Hauptziel dabei ist, einerseits die Erhöhung der momentanen Luminosität im LHC und andererseits die Sicherstellung eines zuverlässigen Betriebs des gesamten Beschleunigerkomplexes.<br />Das Ziel dieser Dissertation war das Design der Strahloptik des PS2 und die Integration von Injektions- und Extraktionsystemen, wobei die Anforderungen an die Strahlqualität in erster Linie vom LHC Strahl aber auch von Experimenten am PS2 und Super Proton Synchrotron (SPS) bestimmt wurden.<br />In der Designphase wurde zuerst der Umfang der Maschine durch den vorgegebenen Energiebereich, das Füllschema für den nachfolgenden Beschleuniger und die Synchronisation der Hochfrequenzsysteme festgelegt. Anhand von Abschätzungen für den Platzaufwand von Strahltransfersystemen wurde der Umfang in Bereiche für die Strahlablenkung und gerade Strecken für die Beschleunigung und die Injektion/Extraktion unterteilt. Die vorgegebene Geometrie der CERN Transfertunnel gab den Ausschlag für eine Rennbahnform der Maschine mit einer Geraden für die Beschleunigungssysteme und der anderen für den Strahltransfer.<br />Die Transitionsenergie des PS2 liegt im vorgegebenen Energiebereich und ermöglicht weder eine Extraktion unterhalb Transition noch eine Injektion darüber. Deshalb wurden zwei vom Prinzip her verschiedene Optik Varianten untersucht. Eine Optik wurde mit realer Übergangsenergie erstellt, welche mit einem Übergangsenergie-Sprungschema ausgestattet ist. Die zweite Variante vermeidet das Queren der Übergangsenergie mittels einer Strahlfokusierung, die negative Dispersion in den Ablenkdipolen erzeugt.<br />Für die Optik mit realer Übergangsenergie wurden unterschiedliche Zellstrukturen hinsichtlich ihrer Ablenkstärke und der optischen Eigenschaften untersucht. Eine FODO Zelle mit 90 Grad Phasenvorschub zeigte das beste Verhalten und wurde deshalb ausgewählt, um eine geschlossene Optik für das Synchrotron zu erstellen. Diese Optik ist darauf ausgelegt mit möglichst wenigen Quadrupolfamilien zu operieren.<br />Zur Dispersionsunterdrückung in den Geraden wurde eine Zelle, die zur Hälfte mit Dipolen gefüllt ist, verwendet. Um die Zeit, die die Teilchen in der Nähe der Übergangsenergie verbringen, kürzer zu halten als Instabilitäten zur Ausbildung brauchen, wurde ein Übergangssprungschema entwickelt. Die notwendigen Parameter, wie die Sprunghöhe und die Zeit, die Instabilitäten zum Ausbilden brauchen, wurden vom CERN PS auf das PS2 skaliert. Ausgehend von diesen Daten konnten zwei Sprungschemata erstellt werden, die hinsichtlich ihres Einflusses auf die Optik analysiert wurden.<br />In der zweiten Optik, dem NMC (negative momentum compaction), wird die Dispersionsfunktion auf eine Oszillation gezwungen die auch negative Werte annimmt. Durch das Platzieren von Dipolen im negativen Dispersionsbereich kann ein imaginärer Wert der Übergangsenergie erreicht und damit das Queren verhindert werden. Diese komplexere Optik verlangt nach einer höheren Anzahl von Quadrupolfamilien, was sowohl einen Kosten- als auch Operationsnachteil mit sich bringt.<br />Die Entscheidung für ein 40 MHz Hochfrequenzsystem ergab mehr Freiraum in der Wahl des Wertes der Übergangsenergie, wodurch das Design der NMC Optik wesentlich erleichtert worden ist und die Aperturbeschränkungen eingehalten werden konnten.<br />Das Vermeiden des Querens der Übergangssenergie mit den dabei unvermeidbaren Teilchenverlusten ist für eine Hochintensitätsmaschine von grosser Bedeutung und deshalb bildet diese Studie die Entscheidungsgrundlage für die Wahl der NMC-Optik als momentaner Basis des PS2 Designs.<br />Der zweite Teil dieser Dissertation beinhaltet die Erstellung eines Konzepts für die Injektions- und Extraktionssysteme. Eine Vielzahl von unterschiedlichen Strahltypen bedingt zwei Injektions- und drei Extraktionssysteme. Auf der Basis dieser Anforderungen wurde die Optik eines zentralen Triplets mit zwei FODO Zellen auf beiden Seiten gewählt.<br />Die lange Driftstrecke im Triplet erlaubt es, das komplexe H- Injektionssystem ohne Unterbrechung durch Quadrupole unterzubringen. Die Optik dieser Geraden wurde auf die Anforderungen der unterschiedlichen Systeme optimiert und ist verwendbar sowohl für die FODO- als auch die NMC-Optik der gesamten Maschine.<br />

The CERN Proton Synchrotron PS2 is one of the foreseen accelerators for the LHC injector upgrade. This upgrade aims first at increasing the instantaneous luminosity of LHC and second at providing a reliable beam for the CERN accelerator complex. From this aspect, the main characteristics of the PS2 are high reliability for high intensity beams.<br />The goal of this thesis was the design of the machine's lattice and injection/extraction systems meeting the constraints coming mainly from the LHC beam type but also from beam requirements of experiments at PS2 and the SPS.<br />In the design, the given energy range together with filling schemes for different beam types and RF cogging were first used to define the circumference of the machine.<br />Estimates on the space requirements of injection/extraction systems were made in order to divide the total machine length between arc and long straight section. Existing tunnels for transfer lines together with the minimisation of the total transfer line length favoured a race track shape machine.<br />The energy range of PS2 does not allow to omit transition crossing by injecting above or extracting below transition.<br />Two significantly different lattice types were therefore designed, one with a real value of gamma-transition and another with negative momentum compaction (NMC) with imaginary value of gamma-transition and thereby no transition crossing.<br />In case of the real gamma-transition lattice, different cell structures were studied according to their bending power and optics behaviour. A FODO cell with 90 degrees horizontal phase advance met the constraints best and was chosen to build a closed lattice. This lattice was optimised to use as few quadrupole families as possible with a missing magnet scheme chosen to suppress the dispersion in the long straight section.<br />Concerning transition crossing, longitudinal space charge and impedance from the existing PS were scaled to the PS2 to estimate the necessary parameters of a gamma-transition jump. A first- and second-order jump scheme were designed and their influence on the bare optics analysed. The second lattice design approach was the NMC. Here, the dispersion function is forced to oscillate between negative and positive values and by placing dipoles mainly in areas of negative dispersion the value of gamma-transition can be made imaginary. This lattice suffers from complexity in hardware and operation but it has the big advantage of avoiding transition.<br />The decision for a 40 MHz RF system which does not impinge on the choice of gamma-transition simplified designing an NMC lattice that meets the aperture constraints.<br />Concluding the lattice choice, the NMC is presently the PS2 baseline because it avoids the complexities of transition crossing and the inevitable beam loss, which for a high intensity machine is a prime concern.<br />The second part of this thesis concerns the design of beam transfer systems. Different beam types necessitate two injection and three extraction systems. On the basis of the constraints from these systems a concept for the whole long straight section was chosen. The structure was decided to be a central split triplet with two FODO cells attached on each side. This allows to place the challenging H- injection in one drift and accomodate the other systems in the FODO cells. Constraints of the different systems were determined and accordingly the optics was optimised.<br />A resulting concept is given for the injection/extraction straight which is interchangeable between the two lattice options.