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Thèse Année : 2023

Performance of beam collimation for high-energy hadron colliders

Performance des collimateurs à faisceaux pour collisionneurs d'hadrons à haute énergie

Résumé

The LHC heavy-ion program with 208Pb82+ beams will benefit from a significant increase of the beam intensity when entering its High-Luminosity era in Run 3. The stored beam energy is expected to surpass 20 MJ. The LHC is equipped with a betatron collimation system, which intercepts the transverse beam halo and protects sensitive equipment such as superconducting magnets against beam losses. However, nuclear fragmentation and electromagnetic dissociation of 208Pb82+ ions in collimators generates a flux of secondary fragments, which are lost in downstream dispersion suppressor and arc cells. These secondary ions may pose a performance limitation in upcoming runs since they can induce magnet quenches in case of beam lifetime drops. In order to mitigate this risk, an alternative collimation technique, relying on bent crystals as primary collimators, will be used in forthcoming heavy-ion runs. In this thesis, we study the power deposition in superconducting magnets by means of FLUKA shower simulations, comparing the standard collimation system against the crystal-based one. In order to quantify the predictive ability of the simulation model, we present absolute benchmarks against beam loss monitor measurements from the 2018 208Pb82+ run at 6.37 ZTeV. The benchmarks cover several hundred meters of beamline, from the primary collimators to the first arc cells. Based on these studies, we provide a detailed analysis of ion fragmentation and leakage to the cold magnets and quantify the expected quench margin in future 208Pb82+ runs. Finally, we present a stand alone empirical study of the halo leakage from the betatron cleaning insertion to absorbers in the extraction region.
Le programme d'ions du LHC composé de faisceaux de 208Pb82+ bénéficiera d'une augmentation significative de son intensité du faisceau lorsqu'il entrera dans son ère de haute luminosité lors du Run 3. L'énergie stockée du faisceau devrait dépasser les 20 MJ. Le LHC est équipé d'un système de collimation betatron, qui intercepte le halo transversal du faisceau et protège les équipements sensibles tels que les aimants supraconducteurs contre les pertes de faisceau. Cependant, la fragmentation nucléaire et la dissociation électromagnétique des ions 208Pb82+ dans les collimateurs génèrent un flux de fragments secondaires, qui sont perdus dans les suppresseurs de dispersion et les cellules d'arc en aval. Ces ions secondaires peuvent constituer une limitation des performances lors des prochains cycles, car ils peuvent induire une trempe de l'aimant en cas de diminution de la durée de vie du faisceau. Afin d'atténuer ce risque, une technique de collimation alternative, reposant sur des cristaux courbés comme collimateurs primaires, sera utilisée dans les prochaines operation d'ions lourds. Dans cette thèse, nous étudions le dépôt d'energie dans les aimants supraconducteurs au moyen de simulations Monte Carlo avec FLUKA, en comparant le système de collimation standard à celui basé sur les cristaux. Afin de quantifier la capacité prédictive du modèle de simulation, nous présentons de nouvelles simulations de références comparées contre des mesures du moniteur de perte de faisceau du cycle 2018 208Pb82+ à 6.37 ZTeV. Ces benchmarks couvrent plusieurs centaines de mètres de la ligne de faisceau, depuis les collimateurs primaires jusqu'aux premières cellules d'arc. Sur la base de ces études, nous fournissons une analyse détaillée de la fragmentation des ions et des fuites vers les aimants superconducteurs et quantifions la marge de quench attendue dans les futurs cycles 208Pb82+. Enfin, nous présentons une étude empirique sur la perte de halo depuis la region de nettoyage bêtatron vers la région d'extraction du faisceau, pendant les opérations avec protons.

Domaines

Electronique
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04486182 , version 1 (01-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04486182 , version 1

Citer

Jean-Baptiste Potoine. Performance of beam collimation for high-energy hadron colliders. Electronics. Université de Montpellier, 2023. English. ⟨NNT : 2023UMONS028⟩. ⟨tel-04486182⟩
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