Üben für den 10. September


Aufgrund der Komplexität des LHCs, mit seinen 1000den Cryo-Magneten, Schutzsystemen und anderen aufwendigen Kontrollsystemen, hat man das Austesten der verschiedenen Einheiten nicht erst am 10. September begonnen, sondern schon lange vorher.
Dies ist die zweite "hautnah"-Geschichte von Dr. Verena Kain rund um den 10. September.

Eine lange Phase „hardware commissioning“ war nötig, um die Schutzsysteme der Magnete und die Stromkreise auszutesten. Supraleitende Materialien können, falls zuviel Wärme in das Material verloren geht oder Feld- oder Stromdichte einen kritschen Wert übersteigen, ihren supraleitenden Zustand verlieren und normalleitend werden. Wenn so ein Phasenübergang, ein sogenannter Quench, in einem Magnet passiert, kann es gefährlich werden für den Magnet. Man hat es nämlich mit sehr hohen Strömen zu tun (e.g. 11.8 kA im Falle der Hauptdipolmagnete bei 7 TeV), und dieser Strom kann das dann nicht mehr verlustfreileitende Kabel zum Schmelzen bringen und damit zu weiteren Problemen führen. Ausgeklügelte Quenchdetection- und Quenchprotection- Systeme sind daher notwendig, um die teuren Magnete zu schützen. Und die müssen bereits am ersten Tag funktionieren. Das „hardware commissioning“ hat bereits Mitte 2006 angefangen. Der LHC ist in 8 Sektoren eingeteilt. Jeder Sektor kann alleine runtergekühlt werden und die Magnete dieses Sektors können unabhängig vom Rest der Maschine mit Strom vesorgt werden. Während des „hardware commissioning“-s wurden die Sektoren bzw. deren Stromkreise einzeln ausgetestet.

Die nächste Phase startete Anfang 2008 mit den sogenannten „dry run“-s, oder „Trockenbetrieben“. Hier werden Systeme erstmals miteinander inklusive ihrer operationellen Schnittstellen betrieben. Die Kontrollraum software, die diese Systeme während Normalbetrieb steuren soll, wird bereits dafür verwendet.

Kurz vor erstem Betrieb mit Strahl kommt dann der „machine check-out“. Ein letzter Gesamttest, wo alle Systeme bereits richtig miteinader vernetzt sein müssen. Die nominellen Szenarien werden ohne Strahl durchgespielt. Diese Phase begann erst kurz vor erstem Strahlbetrieb.

Selbst mit Strahl gingen wir dann in kleinen Schritten vor. Die Injektionssysteme des LHCs sahen schon einige Wochen vor dem 10. September den ersten Strahl.

Injektionstests Der erste Injektionstest fand am Wochenende des 8. bis 10. Augusts statt. Hierbei wurde der Strahl in den LHC Ring 1 (siehe „beam 1“ auf der Abbildung) vom letzten Injektor SPS [6] kommend, via die Transferlinie TI 2, im Punkt 2 des LHCs injeziert. Danach legte der Strahl noch ca. 3 km (die Länge eines Sektors) im LHC zurück und wurdedann auf Materialblöcken am Punkt 3 des LHC, sogenannten Kollimatoren, die in den Strahl geschoben werden können, gestoppt. Selbst bei Injektionsenergie (450 GeV) bewegen sich die Teilchen schon praktisch mit Lichtgeschwindigkeit. Die Vakuumkammern sind nur wenige cm in beiden transversalen Ebenen groß, Magnetfeldfehler oder schlechte transversale Aufstellung der Quadrupolmagnete beeinflussen die Trajektorie des Teilchenstrahls. Die Aufgabe war hier, ein 6 km (Transferlinie plus ein LHC Sektor) entferntes Ziel mit einem ca. 1 mm grossen Strahl in beiden Ebenen mit einer Genaugigkeit von einigen mm zu treffen. Und das wurde erreicht beim ersten Schuss. Das Bild in Abbildung 4 zeigt das Image des aller ersten Strahls im LHC beim Durchgang durch einen Al2O3-Schirm in Punkt 3. Für diese ersten Tests wurde noch nicht die nominelle Intensität pro Teilchenpaket verwendet, sondern nur 3 × 109 Protonen, und nur ein einzelnes Teilchenpaket.


Abbildung 3: Für den ersten Injektionstest wurde der Strahl 1, oder der blaue Strahl, vom SPS extrahiert, injeziert im LHC Punkt 2 und an Kollimatoren im LHC Punkt 3 gestoppt.


Abbildung 4: Der erste Strahl im LHC. Das Image des Strahls beim Durchgang durch einen Al2O3-Schirm in Punkt 3.

Während des ersten Injektionstests konnte bereits ein Gutteil der Optik des Sektors ausgemessen werden. Die Resultate waren erstaunlich gut. Polaritätsfehler von manchen Magnetstromkreisen konnten aufgedeckt werden. Auch die Apertur der Sektors wurde gemessen, in dem man Strahltrajektorien mit großen Amplituden erzeugte und dabei alle Phasen der entstehenden Oszillation abdeckte. Interessanterweise fand man dabei eine unerwartete Aperturengstelle in der Injektionsregion. Die Strahlpositionsmonitore, die die Trajektorien wiedergaben, und die Strahlverlustmonitore deuteten auf ein Vakuumventil als Engstelle hin. Tatsächlich stellte sich nachher bei einer Inspektion heraus, dass dieses Ventil 10 mm zu hoch eingebaut worden war. Abbildung 5 zeigt das Result der Aperturmessung in der Injektionsregion als die maximal möglichen Trajektoren, die noch nicht zu Strahlverlust führten, sich also noch innerhalb der nominellen mechanischen Apertur befanden.


Abbildung 5: Resultat der Aperturmessung in der Injektionsregion am LHC Punkt 2. Sämtliche Trajektorien, die verlustfrei durch die Vakuumkammern paßten, sind eingezeichnet. Zusätzlich sieht man auch die von einem zu hoch eingebauten Vakuumventil stammende Aperturengstelle (Courtesy B. Goddard).

Am Wochenende vom 22. und 24. August fand ein weiterer Injektionstest statt. Diesmal mit dem anderen Strahl, siehe Abbildung 6. Der Strahl wurde in diesem Fall mit Kollimatoren im Punkt 7 gestoppt.


Abbildung 6: Für den zweiten Injektionstest wurde der Strahl 2, oder der rote Strahl, vom SPS extrahiert, injeziert im LHC Punkt 8 und an Kollimatoren im LHC Punkt 7 gestoppt.

Auch hier wieder kam der Strahl beim ersten Schuss am Ziel an. Abbildung 7 zeigt das Image des Strahls beim Durchgang durch einen Al2O3-Schirms in Punkt 7.


Abbildung 7: Das erste Image des Strahls 2 beim Durchgang durch einen Al2O3-Schirm in Punkt 7.

Eine weitere Hürde wurde überwunden während dieses Wochenendes, als wir den Operationsmodus für alternierende Injektionen erfolgreich in Betrieb nehmen konnten. Hier wird der gesamte CERN Injektorkomplex vom LHC aus orchestriert mit Hilfe eines komplexen „timing system“-s. Damit kann quasi per Knopfdruck entweder Strahl in LHC Ring 1 oder Ring 2 an der gewünschten Stelle im LHC Ring injeziert werden.

Am letzten Wochenende vor dem 10. September, dem Wochenende vom 5. bis zum 7. September, kam es zum dritten Injektionstest. Diesmal wagten wir uns weit. Strahl 1 wurde erst nach drei Sektoren gestoppt an Kollimatoren vor dem Experiment CMS im Punkt 5. Strahl 2 hingegen durchlief nur 2 Sektoren, wurde dann aber nicht auf einer Kollimatorbacke gestoppt, sondern wurde auf die nominelle Weise im Punkt 6 extrahiert. Im Punkt 6 des LHC befindet sich nämlich das LHC Extraktionssystem, wo mit sogenannten schnellen Kickermagneten der Strahl aus dem LHC „gekickt“ wird. Der Unterschied zu normalen Magneten ist, dass hier die Magnetfelder sehr schnell hochgefahren werden können, innerhalb weniger us. Die LHC Extraktionskicker brauchen 3 us. Hat man es mit zirkulierenden Strahl zu tun, darf innerhalb dieser 3 us kein Strahl die Kickermagneten passieren, weil er ansonsten mit dem falschen Feld abgelenkt werden würde. Daher hat man in den LHC Strahlen, dessen Teilchenpakete den gesamten Umfang füllen, jeweils eine Lücke von 3 us. Die Kicker müssen genau wissen, wo diese Lücke ist, und ihr Feld synchron damit hochfahren, falls man den Strahl extrahieren will.

Für Strahl 2 wurde also an diesem Wochenden der Modus „Inject and Dump“ ausprobiert, was für Injektion und Extraktion während der gleichen Umdrehung steht. Auch das funktionierte sofort, was für die außerordentliche Qualität des LHC Kontrollsystems spricht. Die Abbildung 9 zeigt das Image des Strahls auf einem Schirm am Ende der Extraktionslinie vor dem „beam dump block“, der Endstation der LHC Strahlen.


Abbildung 8: Der dritte Injektionstest. Strahl 1 durchlief beinahe den halben Beschleunigerring und wurde an Kollimatoren im Punkt 5 gestoppt. Strahl 2 wurde im Punkt 6 mit dem LHC Extraktionssystem extrahiert.


Abbildung 9: Image des Strahls 2 am Ende des Extraktionskanals im Punkt 6.


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