Machine protection of the future circular hadron collider FCC-hh: injection and extraction

Abstract

Die Future Circular Collider (FCC) Studie ist eine von CERN gestartete Realisierbarkeitsstudie mit dem Ziel unterschiedliche Konzepte für zukünftige Hochenergie-Synchrotrone in der post-LHC Ära vorzuschlagen. Ein wesentlicher Bestandteil der Studie fokussiert auf der Planung von FCC-hh, einem Hadron-Hardon Collider mit einem Umfang von 100 km und einer geplanten maximalen Schwerpunktsenergie von 100 TeV. Die in dem 50 TeV Strahl gespeicherte Energie ist mit 8.3 GJ ungefähr 20-fach die des LHC Strahls. Das somit große Schadenspotential des Strahls motiviert die Notwendigkeit von detaillierten Fehleranalysen zu jedem Zeitpunkt des Planungsprozesses. Aufgrund der kleinen Zeitkonstanten der bei Injektion und Extraktion auftretenden Fehler sind diese von besonderer Relevanz. Das Layoutund Hardwaredesign von Injektion und Extraktion ist somit maßgeblich geprägt von Sicherheitskonzepten und Fehleranalysen. Fehler des Injektionsund Extraktionssystems werden in dieser Arbeit identifiziert und der Einfluss auf den Protonenstrahl evaluiert. Ein erstes Design der passiven Injektionsprotektion wird vorgestellt und Simulationen, um die Effizienz dieses Systems zu bewerten, durchgeführt. Bei der Diskussion der Fehlerszenarien des Extraktionssystems wird ein Schwerpunkt auf den Einfluss unterschiedlicher Hardwareoptionen auf Schadenspotential, Sicherheit und Availability gelegt. Basierend auf den dargelegten Überlegungen wird das aktuelle Layout des Extraktionssystems motiviert.

The Future Circular Collider (FCC) study is a feasibility study launched by CERN to propose different concepts for circular colliders in the post-LHC era. A core part of the study focuses on FCC-hh, a high energy hadron-hadron collider with a circumference of nearly 100 km and a foreseen center of mass beam energy of 100 TeV. The energy stored in each proton beam at 50 TeV is approximately 8.3 GJ, more than 20 times that of LHC. This implies a large damage potential of the beam and emphasises the need of detailed failures studies at all stages of the design. Injection and extraction processes are of particular interest regarding machine protection as most of the occurring failures have a very fast impact on the beam and thus require immediate reaction and passive protection. Consequently, the design of the FCC-hh injection and extraction system is strongly driven by machine protection and reliability considerations. In this thesis, failure cases of the injection and extraction system are identified and evaluated in detail. A first design of the injection protection scheme is proposed and simulations to validate the protection efficiency presented. For the extraction system, several design options including different hardware choices and abort strategies are worked out and evaluated regarding machine impact, safety and availability. Required hardware specifications to reduce the probability and mitigate the impact of the mentioned failure cases are discussed and an optimized design for the FCC-hh extraction system is proposed.