Optics design and performance aspects of the HE-LHC

Abstract

Der High Energy Large Hadron Collider (HE-LHC), welcher eine Schwerpunktsenergie von ungefähr 27 TeV anstrebt, ist ein möglicher Nachfolger des Large Hadron Colliders (LHC). Das Design dieses Zukunftsbeschleunigers stellt einen Kompromiss aus erreichbarer Energie, Apertur sowie Geometrie dar. Sowohl die Optik als auch die Apertur für die zwei entgegengesetzt rotierenden Protonenstrahlen werdens in dieser Arbeit diskutiert. Des Weiteren werden die Schwachstellen der Aperture aufgezeigt und Maßnahmen zur Verbesserung vorgeschlagen. Der Effekt unvermeidbarer Quadrupolfehler in den Dipolen bei Kollisionsenergie wird behandelt. Auch die Verwendung von Dipolen mit integrierten Quadrupol-feldern und deren Effekt auf die Apertur bei Injektionsenergie werden thematisiert. Resultate erster Simulationen des Kollisionsbetriebes werden analysiert. Mehrere alternative beta*-levelling Szenarien werden vorgestellt und verglichen. Außerdem wird ein Szenario mit konstanter Divergenz analysiert.

The optics design of the High Energy Large Hadron Collider (HE-LHC), a possible successor of the High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) which aims to reach a centre of mass energy of about 27 TeV, requires a trade off between energy reach, beam stay clear and geometry. In this thesis various designs are studied for the two counter rotating proton beams in order to fulfill best the requirements. Aperture bottlenecks are identified and solutions are proposed. Quadrupole errors present in the arc dipoles and their effect at collision energy are studied. At injection energy combined function arc dipoles and their effect on the beam stay clear is explored. First estimates regarding HE-LHC performance during collision are given. Operational scenarios using different beta* levelling techniques are used in order to keep the pile-up constant are proposed and compared. A scenario with a constant divergence is proposed.