Performance of new collimation optics for improved cleaning and impedance at the large hadron collider

The High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) project aims to significantly increase the luminosity of the LHC. One of the key factors in achieving this goal is the increase in beam intensity by a factor of 2 compared to the LHC design. This poses two major challenges related to beam collimation: the collimation cleaning performance, and the collimation-induced machine impedance. To address these challenges, a new optics configuration for the betatron cleaning insertion has been developed, which improves both aspects. This thesis work produced the first implementation of the new optics in the LHC operational cycle, and in particular the deployment of the optics change during the energy ramp. This is achieved through a delicate “optics de-squeeze” transition from the nominal optics at injection energy to the new configuration at top energy. This work included the design of the optics transitions, the development of the matching procedure and tools, and the preparation for the LHC beam tests. Beam tests were also carried out at the LHC in dedicated machine development sessions: this work also addressed their analysis. Given the excellent results with low-intensity beams, the optics was considered adequate for high-intensity beam tests at the LHC, which were prepared and followed up. The successful completion of high-intensity tests is a crucial milestone in assessing the operational feasibility of this new configuration at the HL-LHC. The expected cleaning performance was evaluated through simulations both at top energy and during the energy ramp, and compared to the performance by the reference optics. The measured cleaning shows an improvement and a good agreement with simulations. Dedicated impedance measurements, carried out by colleagues in the Accelerator and Beam Physics group using the optics developed within this thesis, showed an improvement close to predictions. These results demonstrate that the new betatron collimation optics can be safely deployed during the LHC energy ramp and is effective in mitigating beam losses and impedance with high beam intensities, also confirming the reliability of the modelling tools for future HL-LHC operation. At the time of writing, these changes are considered for deployment at the LHC during the 2026 run.

Il progetto High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) mira ad aumentare significativamente la luminosità dell'LHC e uno dei fattori chiave per raggiungere questo obiettivo è il raddoppio dell'intensità del fascio rispetto al valore di design dell'acceleratore. Questo pone due sfide principali relative alla collimazione del fascio: le prestazioni di cleaning della collimazione e l'impedenza della macchina indotta dal sistema di collimazione. Per affrontare queste sfide, è stata sviluppata una nuova configurazione ottica per l’inserzione di collimazione betatronica che migliora entrambi questi due aspetti. Questo lavoro di tesi ha prodotto la prima implementazione della nuova ottica nel ciclo operativo dell'LHC, e in particolare l'implementazione del cambiamento dell'ottica durante la rampa di energia. Ciò è stato realizzato con una delicata “de-squeeze” dell'ottica per passare dall'ottica nominale all'energia di iniezione alla nuova configurazione all'energia massima. Questo lavoro ha incluso la progettazione di una transizione ottica, lo sviluppo della procedura e degli strumenti del “matching” e la preparazione per i test del fascio dell'LHC. I test del fascio sono stati effettuati sull'LHC in sessioni dedicate allo sviluppo della macchina: questo lavoro ha affrontato anche la loro analisi. Dati gli eccellenti risultati ottenuti con fasci a bassa intensità, l'ottica è stata ritenuta adeguata per i test con fasci ad alta intensità sull'LHC, anch'essi preparati e monitorati nell'ambito di questo lavoro di tesi. Il completamento con successo dei test ad alta intensità rappresenta una tappa fondamentale nella valutazione della fattibilità operativa di questa nuova configurazione per HL-LHC. Le prestazioni di cleaning previste sono state valutate attraverso simulazioni sia all'energia massima sia durante la rampa di energia, e confrontate con le prestazioni dell'ottica di riferimento. Le prestazioni di cleaning misurate mostrano un miglioramento e una buona corrispondenza con le simulazioni. Misurazioni di impedenza dedicate, effettuate dai colleghi del gruppo Accelerator and Beam Physics utilizzando l'ottica sviluppata nell'ambito di questo progetto, hanno mostrato un miglioramento in linea con le previsioni. Questi risultati dimostrano che la nuova ottica di collimazione betatronica può essere implementata in sicurezza durante la rampa di energia dell'LHC ed è efficace nel ridurre le perdite di fascio e l'impedenza con alte intensità di fascio, confermando anche l'affidabilità degli strumenti di modellizzazione per il futuro funzionamento dell'HL-LHC. Al momento della stesura di questa tesi, si sta valutando l'implementazione di queste modifiche nell'LHC a partire dal run del 2026.