Implementation and validation of the linear collider final focus prototype: ATF2 at KEK (Japan)
Résumé
A future e+/e− linear collider is planned to be built in order to obtain precise measurements (at the TeV scale) which would be complementary to the ones from the LHC. One of the challenges of this linear collider will be to focus the beam down to nanometer level transverse sizes at the interaction point, to obtain a high luminosity of a few 10^−34 cm^2 s^−1 . The two linear collider projects (ILC and CLIC) require beam delivery systems with the same local chromaticity correction scheme in the final focus. ATF2 at KEK (Japan), an implementation of this scheme scaled down in energy, uses the beam extracted from ATF, which is one of the most successful damping rings in the world. The ATF2 goals are to prove the feasibility and the stability of the linear collider final focus system and to define and test the experimental correction procedures. The nominal beam sizes at the interaction point are 3µm horizontally and 37nm vertically. The work in this thesis was started before the commissioning and covered its first year at KEK. At the beginning, we observed that the striplines BPMs were not working properly so we investigated their behavior in detail. The problem was characterized and later solved in 2010 by upgrading the electronics. We then developed an efficient procedure to check the modeling of the beam line, comparing measurements of transfer matrices to model predictions calculated on line. After obtaining a good agreement, we were able to successfully test the trajectory correction algorithm which had been developed, reducing the difference between BPM measurements and the target values down to 0.5mm horizontally and 0.2mm vertically. We also successfully developed an algorithm to reconstruct pulse to pulse beam trajectory fluctuations with sub-micron precision. This reconstruction also gave a precise determination of the energy fluctuation, allowing a global fit of the dispersion function along the beam line with a precision of a few mm, dominated by systematic errors from transfer matrices and BPMs scale factor uncertainties. A simple and robust IP beam size tuning method using sextupoles displacements was also studied in simulation, whose performance indicates that, given some assumptions on the error level of the beam, convergence within 20% of the nominal beam size should be possible in 8 hours with a 80% probability. The first experimental tests of such beam size tuning methods, based on measurements at the interaction point are on-going in 2010 and 2011.
La construction d'un futur collisionneur linéaire e+/e− est prévue pour obtenir des mesures précises (à l'échelle du T eV ) qui seraient complémentaires de celles obtenues du LHC. Un des défis de ce collisionneur linéaire sera de focaliser le faisceau à des tailles transverses nanométriques au point d'interaction, afin d'obtenir une importante luminosité de quelques 10^−34 cm^2 s^−1 . Les deux projets de collisionneur linéaire (ILC et CLIC) requièrent un système de distribution du faisceau partageant le même schéma de correction de chromaticité locale dans le système de focalisation finale. ATF2 à KEK (Japon), une implémentation de ce schéma mis à l'échelle en énergie, utilise le faisceau extrait d'ATF, qui est un des meilleurs anneaux d'amortissement au monde. Les objectifs d'ATF2 sont de prouver la faisabilité et la stabilité du système de focalisation finale et de définir et tester les procédures de corrections expérimentales. Les tailles nominales du faisceau au point d'interaction sont de 3µm horizontalement et 37nm verticalement. Le travail de thèse a commencé avant la mise en service et en couvre la première année à KEK. Au début, nous avons observé que les BPMs 'stripline' ne fonctionnaient pas correctement, nous avons donc examiné leurs comportements en détail. Le problème a été caractérisé puis résolu plus tard, en 2010, en changeant l'électronique. Nous avons alors développé une procédure efficace pour vérifier la modélisation de la ligne de faisceau, en comparant les mesures des matrices de transfert aux prédictions du modèle calculé en direct. Après avoir obtenu un bon accord, nous avons pu tester avec succès l'algorithme de correction de trajectoire que nous avions développé, réduisant la différence entre les mesures obtenues par les BPMs et les valeurs cibles jusqu'à 0.5mm horizontalement et 0.2mm verticalement. Nous avons aussi développé avec succès un algorithme pour reconstruire les fluctuations de la trajectoire du faisceau pour chaque paquet avec une résolution inférieure au micron. Cette reconstruction détermine aussi les fluctuations en énergie, permettant un ajustement général de la fonction de dispersion sur la longueur de la ligne de faisceau avec une précision de quelques millimètres, dominé par les erreurs systématiques provenant des matrices de transfert et des incertitudes sur les facteurs d'échelles des BPMs. Une méthode simple et robuste de réglage de la taille du faisceau à l'IP utilisant des déplacements de sextupoles a aussi été étudiée en simulation. Les performances indiquent que, en faisant quelques hypothèses sur le niveau d'erreur du faisceau, la convergence à 20% de la taille nominale devrait être possible en 8 heures avec une probabilité de 80%. Les premiers résultats expérimentaux de telles méthodes de réglages de la taille du faisceau sont actuellement en cours pour 2010 et 2011.
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