Cryogenic beam loss monitoring for the LHC

Abstract

Der am CERN aufgebaute Large Hadron Collider (LHC) ist der weltweit leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger. Strahlverlustmonitore (BLMs) wurden außerhalb der LHC Magnetkryostaten entlang des Ringes installiert, um die Elemente des Beschleunigers vor Strahlenverlusten zu schützen. Direkte Verluste des Strahles können unter anderem den unerwünschten Übergang der supraleitenden Magnete zum normalleitenden Zustand zur Folge haben. Der Schutz wird gewährleistet, indem der Strahl extrahiert wird im Falle zu hoher Teilchenverluste. Die derzeitigen Strahlverlustmonitore des LHC sind im Bereich der Interaktionspunkte des LHC empfindlich auf Teilchenschauer der Kollisionen zwischen den Strahlen. Die Differenzierung zwischen diesen Kollisionsprodukten und direkten Verlusten des primären Strahles wird in Zukunft, für den Hochraten-LHC, mit höherer Strahlenergie und -Intensität, herausfordernd, da die Teilchenschauer zum Teil durch den Kryostaten und das Jocheisen der Magnete abgeschirmt sind. Der Schutz kann gewährleistet bleiben, indem die Strahlverlustmonitore dichter zum Strahl und zum Magneten installiert werden. Das entspricht einer Installation der Detektoren im suprafluiden Helium bei 1.9 K. Der dadurch gewonnene Vorteil ist, dass das gemessene Signal der kryogenen Detektoren (CryoBLM) mit der Energiedeposition im Magneten besser übereinstimmt. Die Hauptherausforderungen dieser Platzierung sind die Temperatur von 1.9 K und die integrierte Strahldosis von 2 MGy in 20 Jahren. Desweiteren muss der kryogene Detektor in einem Magnetfeld von 2 T und einem Druck von 1.1 bar funktionieren. Er muss einer möglichen Drucksteigerung auf 20 bar standhalten, sollte der Übergang eines Magneten zum normalleitenden Zustand stattfinden. Nach der Installation der kryogenen Detektoren in den Magneten des LHC, sind diese nicht mehr erreichbar und müssen daher über 20 Jahre stabil und betriebssicher sein. Nach intensiven Recherchen, wurde klar, dass bisher für keine Detektortechnologie ein Funktionieren unter diesen Konditionen bewiesen wurde. Die in dieser Arbeit untersuchten Kandidaten sind Diamant- und Siliziumdetektoren und eine auf flüssigem Helium basierende Ionisationskammer. Um den Ladungstransport im Detektormaterial im Kalten zu ermitteln, wurden erste Messungen im Labor durchgeführt. Ladungen konnten im Siliziumdetektor mittels Laserlicht und Alphateilchen erzeugt werden. Für Diamantdetektoren wurden die Labormessungen nur mittels Alphateilchen durchgeführt. Die Temperaturabhängigkeit der Driftgeschwindigkeit und der Mobilität der Ladungen konnte gemessen werden. Um die Detektoreigenschaften für Einzelteilchenmessungen bei Temperaturen im flüssigen Helium zu ermitteln, wurden Strahltests mit minimal ionisierenden Protonen durchgeführt. Die Signalbreite nimmt von Raumtemperatur zu Temperaturen im flüssigen Helium um 54 % im Siliziummaterial ab und um 28 % im Diamantmaterial. Dies erlaubt eine "bunch by bunch" Auflösung der LHC-Strahlverluste, wie bereits bei Raumtemperatur erfolgreich gezeigt werden konnte. Die Strahlenhärte der Festkörperdetektoren über 20 Jahre LHC Betrieb wurde im Zuge von Bestrahlungen in flüssigem Helium mit einem Protonenstrahl hoher Intensität gemessen. Ein vollständiges kryogenes System wurde in der Bestrahlungszone installiert. Die Daten der Entwicklung der Ladungsausbeute während der Bestrahlung und die Messungen von Testzyklen erlauben es die Vor- und Nachteile der Detektortechnologien zu identifizieren. Die Reduktion der Detektorempfindlichkeit über 20 Jahre (2 MGy) LHC Betrieb beträgt einen Faktor 14 ± 3 für den Diamantdetektor, während für den Siliziumsensor der Faktor 25 ± 5 ist. Die Verwendung von flüssigem Helium als Teilchendetektionsmedium hat den Vorteil, dass Strahlenhärte kein Problem darstellt. Der Nachteil ist die langsame Ladungsdrift, aufgrund der speziellen Struktur der Ladungen im flüssigen Helium. Mit der derzeitigen Konzeption der Ionisationskammer kann ein erfolgreicher Schutz vor Strahlverlusten mit einer Zeitkonstante größer als 180 µs gewährleistet werden. Die gewonnen Erkenntnisse motivieren den Einsatz der Diamant- und Siliziumdetektoren als schnelles Schutz- und Feedbacksystem, während das zeitgleiche Messen mittels Heliumionisationskammer zur Kalibrierung der Festkörperdetektoren und zum Schutz vor stationären Strahlverlusten verwendet werden kann.

A Beam Loss Monitoring (BLM) system was installed on the outside surface of the LHC magnet cryostats to protect the accelerator equipment from beam losses. The protection is achieved by extracting the beam from the ring in case thresholds imposed on measured radiation levels are exceeded. Close to the interaction regions of the LHC, the present BLM system is sensitive to particle showers generated in the interaction region of the two beams. In the future, with beams of higher energy and brightness resulting in higher luminosity, distinguishing between these interaction products and possible quench-provoking beam losses from the primary proton beams will be challenging. The particle showers measured by the present BLM configuration are partly shielded by the cryostat and the iron yoke of the magnets. The system can hence be optimised by locating beam loss monitors as close as possible to the protected element, i. e. the superconducting coils, inside the cold mass of the magnets in superfluid helium at 1.9 K. The advantage is that the dose measured by the Cryogenic Beam Loss Monitor (CryoBLM) would more precisely correspond to the dose deposited in the superconducting coil. The main challenges of this placement are the low temperature of 1.9 K and the integrated dose of 2 MGy in 20 years. Furthermore the CryoBLM should work in a magnetic field of 2 T and at a pressure of 1.1 bar, withstanding a fast pressure rise up to 20 bar in case of a magnet quench. The detector response should be linear between 0.1 and 10 mGy/s and faster than 1 ms. Once the detectors are installed in the LHC magnets, no access will be possible. Hence the detectors need to be available, reliable and stable for 20 years. Following intense research it became clear that no existing technology was proven to work in such conditions. The candidates under investigation in this work are diamond and silicon detectors and an ionisation chamber, using the liquid helium itself as particle detection medium. All the selected detector technologies are based on ionisation and subsequent charge carrier transport within the detector bulk. Therefore laboratory measurements were performed to measure the charge carrier characteristics in the detector material in the temperature range from 1.6 to 300 K. In the silicon detector, charges were generated using laser light and alpha-particles. For diamond detectors the measurements were done with alpha-particles only. The temperature dependence of the drift velocity and of the mobility of the charge carriers was measured. To measure the detector's characteristics with respect to particle detection at liquid helium temperatures, low intensity beam tests with minimum ionising protons were carried out. They allowed to prove that all tested detectors work at 1.9 K. The silicon detector Full Width Half Maximum (FWHM) of the signal from a MIP is 2.5 ± 0.7 ns at liquid helium temperatures. For the diamond detector the FWHM is 3.6 ± 0.8 ns. The signal width decrease from room temperature to liquid helium temperatures is of 54 % for silicon material and 28 % for diamond material. This allows bunch by bunch resolution of the LHC losses, as already demonstrated at room temperature. The radiation hardness of the solid-state detectors over 20 years of LHC operation was addressed during high intensity beam tests carried out at CERN in a liquid helium environment. A complete cryogenic system was installed in the irradiation area of the CERN East Hall. Data from the continuous monitoring of the signal development during irradiation and measurements from test cycles enabled the advantages and disadvantages of each detector technology to be identified. The expected reduction in detector sensitivity over 20 years (2 MGy) of LHC operation is of a factor of 14 ± 3 for the diamond detector. For the silicon detector the expected signal reduction is of a factor of 25 ± 5. Using liquid helium as particle detection medium has the advantage of no radiation hardness issues. The downside is the low electron and ion mobility in superfluid helium, which leads to a slower detector response. With the current design of the liquid helium chamber a successful protection from losses with a time constant above 180 µs is ensured. These results show that the diamond and silicon detectors satisfy the criteria for use in a fast protection and feedback system, while the simultaneous use of the liquid helium chamber enables the calibration of the solid-state detectors and the reliable protection from steady state losses.