Off-momentum collimation and cleaning in the energy ramp in the LHC

This Master thesis work has been carried out at CERN in the framework of the LHC (Large Hadron Collider) Collimation project. The LHC is a two-beam proton collider, built to handle a stored energy of 360MJ for each beam. Since the energy deposition from particle losses could quench the superconducting magnets, a system of collimators has been installed in two cleaning insertions in the ring and in the experimental areas. The achievable LHC beam intensity is directly coupled to the beam loss rate and, consequently, to the cleaning efficiency of the collimation system. This study analyses the collimation cleaning performance in different scenarios inside the accelerator. First, simulations are performed of the transverse losses in the LHC collimation system during the acceleration process. The results are compared with data taken during a dedicated session at the LHC machine. Simulations are also performed to predict the collimation efficiency during future operation at higher energy. Furthermore, an investigation of the effect of losses of protons, that have slowly lost energy through synchrotron radiation, is carried out. These protons eventually hit the momentum collimators, where the impact coordinates can be used as a starting point for future studies of radiation damage to nearby warm magnets.

Il presente lavoro di tesi è stato condotto presso il Centro Europeo di Ricerca Nucleare CERN nell'ambito del progetto di collimazione per Large Hadron Collider (LHC). LHC è un acceleratore circolare di due fasci di protoni, progettato per immagazzinare un'energia di 360 MJ prodotta da ciascuno dei due fasci. La deposizione di energia a seguito di perdita di particelle potrebbe indurre fenomeni di quench all'interno dei magneti superconduttori: un sistema di collimatori che ripulisca il fascio è stato quindi installato in due settori dell'anello e in prossimità degli esperimenti. L'intensità di fascio che LHC può raggiungere è strettamente correllata al tasso di perdita di particelle e, di conseguenza, all'efficienza di pulizia (cleaning) del sistema di collimazione. In questo studio sono analizzate le prestazioni di cleaning dei collimatori in differenti scenari all'interno dell'acceleratore. Inizialmente sono illustrate simulazioni di perdite trasversali di particelle nel sistema di collimazione di LHC durante il processo di accelerazione. I risultati sono poi comparati con i dati prelevati direttamente dalla macchina durante dedicate sessioni di misura. Ulteriori simulazioni sono poi effettuate al fine di prevedere l'efficienza di collimazione per un fututo funzionamento della macchina a più alta energia. Viene indagato, inoltre, l'effetto dovuto alla perdita di protoni che, a seguito dell'emissione di radiazione di sincrotrone, perdono lentamente energia. Essi alla fine arrivano a colpire i collimatori nella regione di ”momentum cleaning” dell'acceleratore: la conoscenza delle coordinate d'impatto delle particelle costituisce il punto di partenza per studi futuri sul danneggiamento indotto da radiazione nelle zone limitrofe ai magneti non superconduttori in LHC.