Real-time beam size monitoring with the Beam Gas Vertex demonstrator

Abstract

The Beam Gas Vertex (BGV) demonstrator is an innovative diagnostic measuring the transverse beam profile of hadron accelerators in a non-invasive manner using recon- structed tracks from beam–gas interactions. The project has been developed and funded in the framework of the High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) work package which investigates the beam instrumentation needs of the Large Hadron Collider (LHC) after the high luminosity upgrades. The project was based on the principles and the experience acquired by the operation of the VErtex LOcator (VELO) detector of the Large Hadron Collider beauty (LHCb) experiment. The installation of the demonstrator in beam 2 of the LHC was finalized in 2016 with the author joining the project at the its final stage. The final goal of the work presented in this dissertation was to prove the feasibility of the beam gas imaging method for non-invasive real-time beam size measurements throughout the operation cycle of the accelerator and for high intensity beams. Such a task had not been accomplished by any LHC diagnostic. This involved the characterization, control and commissioning for most of the detectors hardware, the development of network communication schemes for control and data, the real-time analysis of said data and the development of the necessary monitoring software. The beam–gas imaging method concerns the usage of beam–gas interactions for the direct measurement of the beam shapes. In the BGV case, the particles are emerging due to beam–gas interactions from a specially developed gas target volume along the beam direction while their trajectory is captured from two tracking stations based on scintillating fibres. Additionally, three scintillator-based stations are performing a primary hardware-based selection of the events (L0 trigger) that will be further filtered by a software-based High Level Trigger (HLT) running on a server farm. The HLT is also responsible for the track reconstruction of a valid event and the accumulation of such events so that a real-time beam size measurement can be obtained. The results acquired from the BGV during Run 2 demonstrated the applicability of such a detector for real-time beam size measurements and were validated by comparisons with other LHC beam diagnostics. The BGV managed to provide measurements with a precision < 2% with an integration time of < 30 s. Individual beam proton bunches are measured with a resolution of 5% within 5 min. It clearly demonstrated its potential for beam size monitoring during all operational phases of the machine. That includes the energy ramp, where no other instrument is currently capable of measuring the beam size.

Ο ανιχνευτής Κορυφών-Δέσμης-Αερίου (BGV) είναι ένα καινοτόμο διαγνωστικό το οποίο μετράει το εγκάρσιο προφίλ της δέσμης επιταχυντών αδρονίων με ένα μη-επεμβατικό τρόπο χρησιμοποιώντας ανασχηματισμένες τροχιές σωματιδίων προερχόμενων από αλληλεπιδράσεις της δέσμης–αερίου. Το εν λόγω έργο αναπτύχθηκε και χρηματοδοτήθηκε στο πλαίσιο του Υψηλής-Φωτεινότητας Μεγάλου Επιτάχυντή Αδρονίων (HL-LHC) , και πιο συγκεκριμένα από το πακέτο που αφορά την ανάπτυξη διαγνωστικών δέσμης. Η εγκατάσταση του ανιχνευτή στην δεύτερη δέσμη του LHC οριστικοποιήθηκε το 2016, με τον συγγραφέα να λαμβάνει μέρος από το τελευταίο μέρος της. Ο τελικός σκοπός του έργου που παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή ήταν η απόδειξη ότι η χρήση της μεθόδου απεικόνισης-δέσμης-αερίου παρέχει ένα εφικτό τρόπο για μη-επεμβατικές μετρήσεις του μεγέθους της δέσμης σε πραγματικό χρόνο, για όλες τις φάσεις λειτουργίας του επιταχυντή και για δέσμες υψηλής έντασης. Μίας τέτοιας μορφής μέτρησης δεν παρέχεται από κανένα παρόν διαγνωστικό του LHC . Το έργο αυτό εμπεριείχε για τον συγγραφέα την ανάπτυξη λογισμικού για τον χαρακτηρισμό, έλεγχο και την λειτουργία μεγάλου μέρους από το (hardware) του ανιχνευτή, την ανάπτυξη των σχημάτων επικοινωνίας για έλεγχο και για δεδομένα, την ανάλυση σε πραγματικό χρόνο των αναφερθέντων δεδομένων και την ανάπτυξη του απαραίτητου λογισμικού παρακολούθησης. Η μέθοδος απεικόνισης-δέσμης-αερίου αφορά την χρήση των αλληλεπιδράσεων δέσμης–αερίου για την απέυθείας μέτρηση του σχήματος της δέσμης. Στην περίπτωση του BGV, τα σωματίδια προκύπτουν από τις αλληλεπιδράσεις σε ένα ειδικά ανεπτυγμένο στόχο κατά μήκος της δέσμης και η τροχιά τους υπολογίζεται από δύο σταθμούς εντοπισμού που βασίζονται σε τεχνολογία σπινθιριζόμενων ινών. Επιπλέον, 3 σταθμοί σπινθιριστών πραγματοποιούν μία αρχική επιλογή γεγονότων βασισμένη εξολοκλήρου σε υλικό (L0 trigger) , η οποία θα φιλτρατιστεί εκ νέου από λογισμικό HLT το οποίο τρέχει σε μία φάρμα εξυπηρετηρών. Το HLT πραγματοποιεί επίσης την ανακατασκευή της τροχιάς ενός έγκυρου γεγονότος αλλά και τη συσσώρευση των γεγονότων προκειμένου να γίνει ο τελικός υπολογισμός του μεγέθους της δέσμης σε πραγματικό χρόνο.Τα αποτελέσματα που λήφθηκαν από το BGV κατά την διάρκεια του δεύτερου κύκλου λειτουργίας του LHC (Run 2)έδειξαν ότι ένας τέτοιος ανιχνευτής μπορεί να έχει εφαρμογή για μετρήσεις μεγέθους δέσμης σε πραγματικό ρόλο και τα αποτελέσματα επικυρώθηκαν από συγκρίσεις με άλλα διαγνωστικά του LHC . Το BGV κατόρθωσε να παρέχει μετρήσεις με ακρίβεια λάθους < 2% και χρόνο συσσώρευσης 30 s. Μεμονομένα πακέτα δέσμης μπορούν να μετρηθούν με ακρίβεια 5% μέσα σε 5 min. Επέδειξε με σαφήνεια τις δυνατότητες του ανιχνευτή για την παρακολούθηση του μεγέθους της δέσμης κατά την διάρκεια όλων των φάσεων λειτουργίας του LHC συμπεριλαμβανομένης της φάσης ενεργειακής αύξησης της δέσμης, όπου και δεν υπάρχει άλλο όργανο ικανό να πραγματοποιήσει τέτοιες μετρήσεις.