Development of a non-destructive beam-profile monitor based on scintillating fiber planes and SiPMs

Abstract

Der große Hadronen-Beschleuniger (engl. Large Hadron Collider, LHC) am CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung, ist derzeit der größte Teilchenbeschleuniger der Welt. Um die geplanten Teilchenenergien zu erreichen, werden die Einstellungen des Beschleunigers und Eigenschaften des (Protonen-)Strahls kontinuierlich von der Abteilung der Strahldiagnose (beam instrumentation) überprüft. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen neuen Typ von Teilchendetektor vorzustellen, der das transversale Strahlprofil messen und beobachten kann. Weiters werden die Analyseergeb- nisse der Messung einer anderen Strahleigenschaft präsentiert, die die Luminosität von Kollisionsexperimenten vermindert. Der erste Teil der Arbeit stellt einen neuen Teilchendetektor vor, der Interaktionen von Strahl und Gas misst, um das transversale Strahlprofil zu eruieren. Das Design des Detektors wird detailliert beschrieben, und verschiedene Komponenten, die eine gute Datenqualität sichern, werden vorgestellt. Weiters werden Tests vorgestellt, die durchgeführt wurden, um die Leistungsfähigkeit des Detektors zu untersuchen. Zu diesen Tests gehört die Untersuchung der genauen Zeiteinstellungen für die unterschiedlichen Komponenten und die Vermessung der Pulshöhenspektren. Der erste Teil wird mit einer Zusammenfassung der vervollständigten Arbeiten und einem Ausblick auf zukünftige Aufgaben, Möglichkeiten und Anwendungen abgeschlossen. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Konzept der “Geisterladungen" (ghost charges) im LHC, Ladungen die in longitudinaler Richtung diffundiert sind, vorgestellt. Es wird erklärt, wie und warum diese Ladungen entstehen, wie man sie messen kann, und weshalb sie einen Einfluss auf die gemessene Luminosität haben. Es werden die Daten von Geisterladungen von drei verschiedenen Strahlentypen (Protonen mit mittlerer und hoher Energie, sowie Blei-Ionen) präsentiert. Die Ergebnisse dieser Geisterladungsmessungen können dazu verwendet werden, die gemessene Luminosität für diese drei Typen von Strahl zu korrigieren. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse schließt den zweiten Teil der Arbeit ab.

CERN’s Large Hadron Collider (LHC) is currently the largest particle accelerator in the world. To ensure particle energies at LHC’s design values and enable collisions at high energies, the working settings and beam parameters are constantly monitored by the beam instrumentation division. The aim of this thesis is to present a new type of detector to monitor one such beam parameter, the transverse beam profile, and to present the results of an analysis of another beam attribute which reduces the luminosity of collider experiments. Part one of this thesis introduces a detector that uses beam-gas interactions to measure the transverse beam profile. The design of the detector is described in detail and the various components that ensure data quality are introduced. Tests that were conducted to investigate the performance of the detector, like timing and efficiency parameters, are presented as well. The first part is concluded with a summary of the work performed on the detector so far and an outlook of future tasks, use, and applications. Part two introduces the concept of longitudinally stray charges in the LHC, called ghost charges. It is described how those ghost charges occur, why they have an impact on the luminosity of collider experiments, and how they are measured. Ghost charge data for three different beam types (protons at intermediate energy, high energy and lead beams) are presented. The results can be used to correct the measured luminosity values for the three types of beams. A summary of the results concludes the second part of the thesis.