Beam dynamics and optics studies for the LHC injectors upgrade

Abstract

Der Ausbau des Large Hadron Collider (LHC) hat das Ziel höhere Luminositäten an den Kollisionspunkten zu erreichen, wofür die LHC Injektorkette zukünftig Protonenstrahlen von noch nie dagewesener Intensität und Brillianz zur Verfügung stellen muss. Nachdem der CERN Beschleunigerkomplex in seiner derzeitigen Form nicht in der Lage ist die geforderten Strahlparameter zu erbringen, wurden Möglichkeiten untersucht die Leistungsfähigkeit der bestehenden Beschleuniger zu erweitern oder diese durch neue Maschinen zu ersetzen. Für die Leistungsfähigkeit eines Synchrotrons spielt die Übergangsenergie eine zentrale Rolle. Das Design einer Strahloptik mit "Negative Momentum Compaction" (NMC) und somit imaginärer Übergangsenergie erlaubt es, das Überschreiten der Übergangsenergie und die damit verbundenen Limitierungen zu vermeiden. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die Eigenschaften einer NMC-Struktur untersucht. Die Grenzen der Betatron Stabilität werden mit Hilfe einer Kombination aus analytischen und numerischen Methoden analysiert. Die NMC-Struktur wird anschließend für die Designstudie des PS2 Synchrotrons verwendet, welches als Ersatz für das existierende CERN Proton Synchrotron (PS) vorgeschlagen wurde. Zwei Optionen für die Strahloptik werden vorgestellt: Die Basisvariante mit zweifacher Symmetrie und eine Alternative mit dreifacher Symmetrie. Diese werden einander gegenübergestellt. Ihre Abstimmungsmöglichkeiten sowie ihre linearen und nichtlinearen Eigenschaften werden verglichen. Der Einfluss von Maschinenimperfektionen auf die dynamische Apertur wird in detaillierten Trackingsimulationen untersucht. Der direkte Einfluss der Übergangsenergie und des Slipfaktors auf die Leistungsfähigkeit eines laufenden Synchrotrons wird im zweiten Teil dieser Arbeit beschrieben. Die Intensitätsgrenzwerte für die Instabilitäten, die die derzeitigen Limitierungen für die LHC Protonstrahlen im Super Proton Synchrotron (SPS) darstellen, skalieren linear mit dem Slipfaktor. Eine neue Strahloptik für das SPS wird vorgestellt, die eine niedrigere Übergangsenergie zur Folge hat und somit einen dreifach höheren Slipfaktor bei Injektionsenergie erreicht. Der resultierende Anstieg der Intensitätsgrenzwerte für die "transverse mode coupling"-Instabilität bei Injektion wird anhand von Experimenten und Simulationen gezeigt. Numerische Simulationen zeigen darüber hinaus, dass die Elektronenwolkendichte ab welcher der Strahl in der neuen Strahloptik instabil wird zweimal höher ist. Außerdem wird die erwartete Verbesserung der longitudinalen Strahlstabilität in einer Reihe von Messungen bestätigt. Durch die erhöhte Dispersionsfunktion wird weiters eine Reduktion der inkohärenten Raumladungsdefokussierung um 15% erreicht, was von Vorteil ist um das inkohärente Anwachsen der Emittanz am Injektionsplateau für Strahlen mit hoher Brillanz zu minimieren. Die neue Strahloptik wird seit Herbst 2012 erfolgreich für das Befüllen des LHC im Routinebetrieb verwendet und erzielt bessere Strahlparameter im Vergleich zur nominellen SPS Strahloptik.

The Large Hadron Collider (LHC) upgrade, which aims at reaching significantly higher luminosities at the experiment sites, requires the existing injector chain to provide proton beams with unprecedented beam intensity and brightness. The required beam parameters are out of reach for the CERN accelerator complex in its present state. Therefore, upgrade possibilities of the existing injectors for mitigating their performance limitations or their partial replacement by new machines have been studied. The transition energy plays a central role for the performance of synchrotrons. Designing a lattice with negative momentum compaction (NMC), i.e. imaginary transition energy, allows avoiding transition crossing and thus the associated performance limitations. In the first part of this thesis, the properties of an NMC cell are studied. The limits of betatron stability are evaluated by a combination of analytical and numerical calculations. The NMC cell is then used for the design study of a new synchrotron called PS2, which has been proposed to replace the existing CERN Proton Synchrotron (PS) in the LHC injector chain. Two lattice options are presented, the baseline racetrack lattice and the alternative option based on a threefold symmetry. They are compared with respect to their tuning flexibility as well as their linear and nonlinear properties. The effect of machine imperfections on the dynamic aperture is studied in detailed tracking simulations. The direct impact of the transition energy and the phase slip factor on the performance of an operating synchrotron is described in the second part of this thesis. The intensity thresholds for the instabilities, that are presently limiting the performance of the LHC-type proton beams in the Super Proton Synchrotron (SPS), scale linearly with the slip factor. A new optics for the SPS is presented, which provides lower transition energy and thereby a three times higher slip factor at injection energy. The resulting increase of the intensity threshold for the transverse mode coupling instability at injection is demonstrated in experimental and simulation studies. Furthermore, numerical simulations show that the electron cloud density at which bunches become unstable is twice higher in the new optics. In addition to that, the expected improvement of longitudinal beam stability at higher energies is confirmed by a series of measurements. Finally, a reduction of the incoherent space charge tune shift by about 15% is achieved due to the larger dispersion function in the arcs, which helps minimizing incoherent emittance growth at the injection plateau for high brightness beams. Since fall 2012, the new optics is being successfully used for LHC filling in routine operation providing improved beam characteristics compared to the nominal SPS optics.