Precision is in their nature
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Description
There are more than 100 of them in the LHC ring and they have a total of about 400 degrees of freedom. Each one has 4 motors and the newest ones have their own beam-monitoring pickups. Their jaws constrain the relativistic, high-energy particles to a very small transverse area and protect the machine aperture. We are speaking about the LHC collimators, those ultra-precise instruments that leave escaping unstable particles no chance.
The internal structure of a new LHC collimator featuring (see red arrow) one of the beam position monitor's pickups.
Designed at CERN but mostly produced by very specialised manufacturers in Europe, the LHC collimators are among the most complex elements of the accelerator. Their job is to control and safely dispose of the halo particles that are produced by unavoidable beam losses from the circulating beam core. “The LHC collimation system has been designed to ensure that beam losses in superconducting magnets remain below quench limits in all operational phases,” says Stefano Redaelli from the Beams Department who is Head of the LHC Collimation Project. “In view of the second, high-energy run of the LHC, it was decided to upgrade various aspects of the system. In particular, 18 collimators will be replaced with new ones based on an innovative design.”
The collimation system for the LHC Run 2 will consist of a total of 118 devices, distributed in several places around the ring and in the transfer lines but mostly at the warm insertion regions around Points 3 and 7. Collimators are also installed close to the interaction points where beams are optimized for collisions. “By controlling the particle losses, the collimators protect the delicate elements of the machine, help reduce the total dose on the accelerator equipment and optimize the background for the experiments,” explains Redaelli.
The beam cleaning requirements at the LHC exceed those of previous machines by several orders of magnitude. In a collider, beam losses are caused by collisions at the interaction points, the interaction of the beam particles with residual gas, intra-beam scattering, beam instabilities and dynamics changes during the operation cycle (orbit drifts, optics changes, energy ramp, etc.). All these effects may vary over time, depending on various beam and machine parameters. Therefore, the collimation system must be very flexible and highly reliable. “Each ring collimator of the LHC is programmed to follow the changes in energy and optics during the operation cycle of the machine. The collimator aperture is varied according to the requirements, which depend on the specific functionality of each device,” says Redaelli. “The jaws can move at a varying pace and can be controlled by the operators, who can also adjust their angle with respect to the beam trajectory. It is a very complex but very effective system, the state-of-the-art for hadron colliders.”
In order to decrease the collimator set-up time and to control better the collimator centering around the beam, the newest collimators have been equipped with a dedicated beam monitoring system consisting of 4 pickups, 2 per jaw, located at each motor axis. “This new feature will help us monitor the position of the incoming beam “live” and with increased precision,” explains Redaelli. “The design of the new collimators is the result of a close and fruitful collaboration between the BE, EN and TE Departments. The first four collimators – two internally produced and two produced in industry – have been accepted and are being prepared for installation.” During LS1, the teams will replace 18 collimators, with priority given to those that protect the experiments. Future system upgrades will progressively improve other parts of the machine.
Other (French)
Ils sont plus d'une centaine le long de l'anneau du LHC et ils présentent au total environ 400 variables. Chacun d’entre eux est doté de 4 moteurs et les plus récents disposent de leurs propres capteurs de faisceau. Leurs mâchoires forcent les particules relativistes de haute énergie à rester dans une très petite zone transverse et protègent l’ouverture de la machine. Il s’agit bien sûr des collimateurs du LHC, ces instruments d’une extrême précision qui ne laissent aucune chance aux particules instables en fuite.
La structure interne d'un nouveau collimateur du LHC équipé d'un système spécial de contrôle du faisceau, dont on reconnaît un des quatre capteurs (flèche rouge).
Conçus au CERN, mais produits pour la plupart par des entreprises très spécialisées en Europe, les collimateurs du LHC comptent parmi les éléments les plus complexes de l’accélérateur. Leur rôle est de maîtriser, et de supprimer en toute sécurité, les particules du halo générées par les inévitables pertes de faisceau provenant du cœur du faisceau en circulation. « Le système de collimation du LHC a été conçu pour faire en sorte que les pertes de faisceau dans les aimants supraconducteurs restent au-dessous du seuil de transition résistive à toutes les phases de l’exploitation, explique Stefano Redaelli, du département Faisceaux, chef du projet de collimation du LHC. En vue de la seconde exploitation du LHC, à haute énergie, il a été décidé d’optimiser divers aspects du système. En particulier, 18 collimateurs seront remplacés par de nouveaux dispositifs de conception innovante. »
Pour la deuxième exploitation du LHC, le système de collimation sera composé de 118 dispositifs au total, répartis en plusieurs points de l’anneau et des lignes de transfert, mais essentiellement au niveau des régions d’insertion chaudes, autour des points 3 et 7. Des collimateurs sont également installés près des points d’interaction où les faisceaux sont optimisés pour les collisions. « En contrôlant les pertes de faisceau, les collimateurs protègent les éléments délicats de la machine, aident à réduire la dose totale de rayonnements reçue par les équipements de l’accélérateur, et optimisent le bruit de fond pour les expériences », explique Stefano.
Les exigences de nettoyage du faisceau dans le LHC dépassent celles des machines précédentes de plusieurs ordres de grandeur. Dans un collisionneur, les pertes de faisceau sont causées par différents facteurs : collisions aux points d’interaction, interaction des particules du faisceau avec le gaz résiduel, interactions des particules entre elles à l’intérieur des paquets, instabilités du faisceau ou variations de la dynamique au cours d’un cycle d’exploitation (dérive de l'orbite, variations de l'optique, montée en énergie, etc.). Tous ces effets peuvent varier dans le temps, en fonction de divers paramètres liés au faisceau et à la machine. C’est pourquoi le système de collimation doit présenter une grande souplesse et être extrêmement fiable. « Chaque collimateur du LHC est programmé pour s’adapter aux variations d’énergie et d’optique durant un cycle d’exploitation de la machine. On fait varier l’ouverture des collimateurs en fonction des exigences, qui dépendent des fonctionnalités propres à chaque dispositif, précise Stefano. Les mâchoires peuvent se déplacer à une vitesse variable et être commandées par les opérateurs, lesquels peuvent également ajuster leur angle par rapport à la trajectoire du faisceau. Il s’agit d’un système très complexe, mais extrêmement performant, le nec plus ultra pour les collisionneurs de hadrons. »
Afin de réduire le temps de réglage des collimateurs et de mieux ajuster le centrage des collimateurs autour du faisceau, les collimateurs les plus récents ont été équipés d'un système spécial de contrôle du faisceau composé de 4 capteurs, 2 par mâchoires, situés à chaque axe de moteur. « Cette nouvelle fonction nous aidera à contrôler "en direct" la position du faisceau incident, et cela avec une précision accrue, explique Stefano. La conception des nouveaux collimateurs est le résultat d’une collaboration étroite et fructueuse entre les départements BE, EN et TE. Les quatre premiers collimateurs – deux produits en interne et deux dans l’industrie – ont été réceptionnés, et l’on prépare à présent leur installation. » Durant le LS1, les équipes remplaceront 18 collimateurs en donnant la priorité à ceux qui protègent les expériences. De futures campagnes d’optimisation permettront progressivement d’améliorer d’autres parties de la machine.
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Identifiers
- CDS
- 1665378
- CDS Report Number
- BUL-NA-2014-045
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- Periodical issue: cyrnz-63129 (CDS)
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