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Collective Effects in the Hadron Future Circular Collider

Astapovych, Daria (2020):
Collective Effects in the Hadron Future Circular Collider.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011786,
[Ph.D. Thesis]

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2020_05_26_Astapovych_Daria.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Collective Effects in the Hadron Future Circular Collider
Language: English
Abstract:

The instability of a beam in hadron circular accelerators due to the beam coupling impedance and electron clouds is investigated. The Future hadron-hadron Circular Collider (FCC-hh) is a potential successor of the Large Hadron Collider (LHC). FCC-hh will operate at 100 TeV collision energy in a tunnel with a circumference of 100 km, in comparison to 14 TeV collision energy and 27 km circumference in the LHC. Similarly to the LHC, in the FCC-hh the beam screen can be a limiting factor for beam stability. The electromagnetic interaction of the beam and beam screen is described by a beam coupling impedance, whereas the interaction between the beam and free electrons in the beam pipe leads to the formation of the electron cloud. As a result, machine performance can be affected by beam instabilities, beam losses, heat load, and vacuum degradation.

Absolute predictions of collective effects require the most realistic impedance database. Because of uncertainties in the electromagnetic material properties and missing component details at the present design stage of the beam screen, the absolute estimations would carry large error bars. Instead, this thesis focuses on the scaling of collective effects with beam energy and beam screen geometry from LHC to FCC-hh, as this can relate actual observations from an existing collider to a new one, with many similarities.

The impedances are computed for the detailed transverse cross-section for the FCC-hh and the LHC beam screens. The current design of the FCC-hh beam screen is found to make a significant contribution to impedance. Based on an analysis of impedance-induced effects, this thesis work proposes modifications in the beam screen design to mitigate its impedance contribution.

An electron cloud buildup study is also performed for the detailed transverse cross-section for the FCC-hh and the LHC beam screens. As a result of these computations, one can conclude that an additional coating on the FCC-hh beam screen is required to mitigate the effects driven by the electron cloud. Further, to investigate the impact on the effects induced by electron clouds due to the higher beam energy and smaller aperture of FCC-hh beam screen in comparison to LHC, a study of the heat load with beam energy and pipe radius is performed.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Instabilität eines Strahls in Hadronen-Kreisbeschleunigern durch Koppelimpedanzen und Elektronenwolken wird untersucht. Der Future Circular Collider für Hadronen-Hadonen-Stöße (FCC-hh) ist ein möglicher Nachfolger des Large Hadron Collider (LHC). Der FCC-hh soll mit einer Kollisionsenergie von 100 TeV in einem Tunnel mit einem Umfang von 100 km betrieben werden, im Vergleich zu 14 TeV-Kollisionsenergie und 27 km Umfang für den LHC. Ähnlich wie beim LHC kann auch beim FCC-hh die innere Vakuumkammer ein limitierender Faktor für die Strahlstabilität sein. Die elektromagnetische Wechselwirkung von Strahl und Kammer wird durch eine Strahlkoppelimpedanz beschrieben, während die Wechselwirkung zwischen dem Strahl und den freien Elektronen im Strahlrohr zur Bildung der Elektronenwolke führt. Die Leistungsfähigkeit des Colliders kann durch Strahlinstabilitäten, Strahlverluste, Wärmebelastung und Vakuumdegradation beeinträchtigt werden. Absolute Vorhersagen von kollektiven Effekten erfordern eine möglichst realistische Beschreibung der Gesamtimpedanz. Aufgrund der Unsicherheiten in den elektromagnetischen Materialeigenschaften und fehlender Komponentendetails in der gegenwärtigen Entwurfsphase der Kammer würden die absoluten Schätzungen große Fehlerbalken aufweisen. Stattdessen konzentriert sich diese Arbeit auf die Skalierung der kollektiven Effekte mit der Strahlenergie und der Kammergeometrie vom LHC bis zum FCC-hh, da dies tatsächliche Beobachtungen an einem bestehenden Collider zu einem neuen mit vielen Ähnlichkeiten in Beziehung setzen kann. Die Impedanzen werden für die detaillierten transversalen Querschnitte für die FCC-hh und die LHC Kammern berechnet. Es hat sich gezeigt, dass das aktuelle Design der FCC-hh Kammer einen wesentlichen Beitrag zur Gesamtimpedanz leistet. Basierend auf einer Analyse der durch die Impedanz bedingten Effekte schlägt diese Arbeit Änderungen im Design der Kammer vor, um dessen Impedanzbeitrag zu reduzieren. Eine Studie zur Entstehung von Elektronenwolken wird ebenfalls für die detaillierten Querschnitte für die FCC-hh und die LHC Kammern durchgeführt. Als ein Ergebnis dieser Studien kann geschlossen werden, dass eine zusätzliche Beschichtung der inneren FCC-hh Kammer erforderlich ist, um die durch die Elektronenwolke verursachten Effekte abzuschwächen. Zur Untersuchung der Auswirkungen auf die durch die Elektronenwolke hervorgerufenen Effekte aufgrund der höheren Strahlenergie und der kleineren Apertur des FCC-hh-Strahlenschirms im Vergleich zum LHC wird außerdem eine Untersuchung des Wärmeeintrags durchgeführt.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields > Accelerator Physics
Date Deposited: 24 Aug 2020 14:13
Last Modified: 24 Aug 2020 14:26
DOI: 10.25534/tuprints-00011786
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-117867
Referees: Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver and Rienen, Prof. Dr. Ursula van
Refereed: 28 April 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11786
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