[論文レビュー] The First 1 1/2 Years of TOTEM Roman Pot Operation at LHC

M. Deile, G. Antchev+24 more|Research Explorer (The University of Manchester)|Oct 26, 2011

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるTOTEMローマポットシステムの1.5年間の運用を初めて報告し、移動制御、位置インターロックシステム、ビームベースおよびソフトウェアベースの整合技術について詳述している。このシステムは、1マイクロメートル未塔の精度でRPの位置決めと整合を図り、四元運動量移転が10⁻³ GeV²にまで及ぶ完全弾性および微小散乱プロトン-プロトン散乱の正確な測定を可能にした。

ABSTRACT

Since the LHC running season 2010, the TOTEM Roman Pots (RPs) are fully operational and serve for collecting elastic and diffractive proton-proton scattering data. Like for other moveable devices approaching the high intensity LHC beams, a reliable and precise control of the RP position is critical to machine protection. After a review of the RP movement control and position interlock system, the crucial task of alignment will be discussed.

研究の動機と目的

• 高強度のLHCビームに近接する可動式ローマポットを安全かつ正確に運用するため、堅牢な制御およびインターロックシステムを確保すること。
• フォワードプロトン散乱の測定を可能にするために、ローマポットの位置決め精度を1マイクロメートル未塔に達するようにすること。
• 正確な粒子軌跡再構成を可能にするために、ビームベースおよびソフトウェアベースの整合技術を開発・検証すること。
• RPシステムをLHCビームインターロック論理と統合することで、マシン保護を維持すること。
• 冗長なエンコーダーおよびLVDTシステムを用いて、位置測定をキャリブレーションおよび相互検証すること。

提案手法

• LHCコリメーターシステムから派生した階層的制御アーキテクチャを採用し、CCCにユーザーインターフェースを設け、中間レベルにFESAベースのスーパーバイザーを、低レベルにPXIベースのモータ制御を配置した。
• 二重の冗長な位置測定を実施：モータステップカウンター（OUTストッパーを基準とした相対位置）およびLVDT（絶対位置、ドリフト補正付き）。
• FPGAカードを用いたビームインターロック論理を実装し、RP位置をビームモードに応じた臨界限界値と比較し、安全でない場合に自動的にビームダンプまたは抽出を実行する。
• ビームハローを主コリメーターでスクラップすることでビームベースの整合を実施し、BLM信号を用いて10–250 μmのステップサイズでビーム端縁を特定した。
• 再構成された粒子イベントからのトラック残差を用いて相対的なセンサのずれを特定し、垂直および水平方向の検出器の重複によりユニットレベルの整合を実現した。
• 完全弾性散乱分布からの対称性制約を適用し、10 μm未塔の精度でグローバルな整合を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCビームに近接する運用において、TOTEMローマポットをどのように安全かつ正確に制御できるか？
• RQ2 エンコーダーとLVDTを用いた二重位置測定システムの、正確なRP位置決めを維持する性能はいかほどか？
• RQ3 ビームインターロック論理は、RPが安全でない位置にある場合に、ビームインジェクションを防止したり、自動抽出をトリガーするのにどれほど効果的か？
• RQ4 ビームベースおよびソフトウェアベースの技術を用いることで、RPの整合精度をどの程度達成できるか？
• RQ5 完全弾性散乱分布の対称性が、RPステーションのグローバルな整合をどの程度制約できるか？

主な発見

• RP移動制御システムは、1.5年間のLHC運転を通じて、1モータステップあたり5 μmの精度で正確かつ安全な運用を維持した。
• 位置制限に違反した場合に、インターロックテストシーケンスの結果、ビームインターロックシステムが正しく自動RP回収をトリガーした。
• ビームベースの整合は10–250 μmの精度で達成され、その後10 μmステップサイズに改善され、RPに対するビーム端縁の正確な相対位置特定が可能になった。
• トラック残差を用いたソフトウェアベースの整合により、相対的センサずれが制限され、水平方向で10 μm未塔、垂直方向で20 μm未塔のグローバルな整合精度が達成された。
• 対称性に基づく完全弾性散乱ヒット分布の整合により、ビーム中心位置を約10 μmの精度で正確に特定できた。
• LVDT測定は信頼できる絶対位置データを提供したが、わずかなドリフトが生じるため、定期的なキャリブレーションが必要であった。