Crystals in the LHC
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Bent crystals can be used to deflect charged particle beams. Their use in high-energy accelerators has been investigated for almost 40 years. Recently, a bent crystal was irradiated for the first time in the HiRadMat facility with an extreme particle flux, which crystals would have to withstand in the LHC. The results were very encouraging and confirmed that this technology could play a major role in increasing the beam collimation performance in future upgrades of the machine.
Charged particles interacting with a bent crystal can be trapped in channelling states and deflected by the atomic planes of the crystal lattice (see box). The use of bent crystals for beam manipulation in particle accelerators is a concept that has been well-assessed. Over the last three decades, a large number of experimental findings have contributed to furthering our knowledge and improving our ability to control crystal-particle interactions.
In modern hadron colliders, such as the LHC, the halo of particles surrounding the beam core may produce high-power loss in sensitive areas of the accelerator, thereby endangering operation stability and machine protection. Multi-stage collimation systems are thus used to absorb them. “The UA9 experiment - supported by CERN, INFN, Imperial College, LAL, PNPI, IHEP and JINR - was set up in 2008 to investigate the advantages of using bent crystals in the collimation systems of high-energy hadron colliders,” says Walter Scandale, UA9 spokesperson. “A bent crystal replacing the primary collimator can deflect the incoming halo coherently at angles larger than can be obtained with amorphous materials. This might increase the ability of crystals to cut halos in higher intensity beams at the LHC, especially in cases of operation problems at higher energies.”
From 2009 onwards, silicon crystals were tested at the SPS and their efficiency measured with Medipix detectors. In 2011, after the successful tests performed at the SPS, the LHC Committee endorsed the LUA9 experiment to test the idea at the LHC. “When using bent crystals for collimation, the entire halo particle power is deposited in a small spot of the collimator material,” says Walter Scandale. “We knew that, at the nominal LHC intensity, crystals would have to extract a proton flux dissipating up to 500 kW short-term steady losses in a small spot of just a few square millimetres. An ad-hoc additional passive absorber system should be designed to ensure a high collimation performance.”
An additional challenge for the LUA9 collaboration consists in orienting the crystal optimally for channelling. The operation requires the use of alignment mechanisms with angular accuracy beyond the state-of-the-art. Devices to orient the crystal in the LHC are under development in partnership with various industrial companies. The results of the first tests are very encouraging. “Bent crystals with the required properties will be installed in the LHC in time for tests to be carried out after the long shut-down in close collaboration with the LHC Collimation team,” concludes Walter Scandale. “The expected result is to substantially improve the collimation efficiency, especially for lead ion beams.”
| Why are particles channelled in crystals? Charged particles have special interactions with crystals due to the anisotropy of the medium. The trajectory of a positive particle travelling at a small angle with respect to crystalline planes is strongly influenced by the repulsive potential averaged along the atomic planes. Channelling is the result of particle confinement in the potential well between neighbouring crystalline planes. |
Other (French)
Des cristaux courbés peuvent servir à dévier des faisceaux de particules chargées. Leur utilisation dans des accélérateurs de haute énergie est à l’étude depuis une quarantaine d’années. Récemment, un cristal courbé a été irradié pour la première fois dans l’installation HiRadMat par un flux de particules extrêmement élevé, auquel des cristaux devront pouvoir résister dans le LHC. Les résultats sont très encourageants et ont confirmé que cette technique pourrait jouer un grand rôle pour optimiser la collimation du faisceau dans le cadre des futures améliorations de la machine.
Du fait de leurs interactions avec le cristal, les particules chargées peuvent se trouver piégées et canalisées entre les plans d’atomes du réseau cristallin, dont elles suivent alors la courbure (voir l’encadré). L’idée d’utiliser des cristaux courbés pour manipuler le faisceau dans les accélérateurs de particules a fait l’objet de nombreuses études. Au cours des trois dernières décennies, beaucoup de résultats expérimentaux ont contribué à étendre nos connaissances et à améliorer nos compétences en matière de contrôle des interactions cristal-particules.
Dans les collisionneurs de hadrons modernes tels que le LHC, le halo de particules entourant le cœur du faisceau peut entraîner des pertes représentant une puissance importante dans des zones sensibles de l’accélérateur, pertes susceptibles de compromettre la stabilité de l’exploitation et la protection de la machine. Des systèmes de collimation à plusieurs étages sont ainsi utilisés pour les absorber. Selon les explications de Walter Scandale, le porte-parole d’UA9, « l’expérience UA9, financée par le CERN, l'INFN, l’Imperial College, le LAL, le PNPI, l’IHEP et le JINR, a été mise sur pied en 2008 pour examiner les avantages que présente l'utilisation des cristaux courbés dans les systèmes de collimation des collisionneurs de hadrons de haute énergie. Un cristal courbé remplaçant le collimateur primaire peut dévier le halo incident de manière cohérente à des angles plus grands que ne le permettent des matériaux amorphes. Cela pourrait augmenter la capacité des cristaux à couper les halos des faisceaux du LHC de plus haute intensité, spécialement en cas de problèmes d'exploitation à de plus hautes énergies. »
À partir de 2009, des cristaux de silicium ont été testés au SPS et leur efficacité a été mesurée à l’aide des détecteurs Medipix. En 2011, après les essais concluants réalisés au SPS, le Comité des expériences LHC a approuvé l’expérience LUA9 pour tester l’idée au LHC. « Lorsqu'on utilise des cristaux courbés pour la collimation, l’intégralité de la puissance des particules du halo se dépose dans une toute petite zone du collimateur, explique Walter Scandale. Nous savions qu’à l’intensité nominale du LHC les cristaux devraient extraire un flux de protons avec des pertes régulières allant jusqu’à 500 kW à court terme dans une surface de seulement quelques millimètres carrés. Un système d'absorption passif supplémentaire ponctuel devrait être conçu pour assurer une collimation de haute performance. »
Un défi supplémentaire pour la collaboration LUA9 est d’orienter le cristal de manière optimale pour la canalisation. L’opération exige d’utiliser des mécanismes d’alignement d’une précision angulaire allant au-delà des techniques les plus avancées. Des dispositifs permettant d’orienter le cristal dans le LHC sont en cours de développement en partenariat avec diverses entreprises industrielles. Les résultats des premiers essais sont très encourageants. « Des cristaux courbés possédant les propriétés requises seront installés au LHC à temps pour pouvoir mener des tests après le long arrêt technique. Cela sera réalisé en étroite collaboration avec l'équipe de collimation du LHC, conclut Walter Scandale. L’objectif est d’améliorer fortement l’efficacité de la collimation, en particulier pour les faisceaux d’ions plomb. »
| Pourquoi les particules sont-elles canalisées dans des cristaux ? Les particules chargées connaissent des interactions particulières avec les cristaux en raison de l’anisotropie du milieu. La trajectoire d’une particule positive se déplaçant à petit angle par rapport aux plans cristallins est fortement influencée par le potentiel répulsif moyen le long des plans atomiques. La canalisation des particules résulte de leur confinement par le puits de potentiel formé entre des plans cristallins voisins. |
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- 1496478
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- BUL-NA-2012-365
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