Rhic luminosity Upgrade Program



Yüklə 91,82 Kb.
Pdf görüntüsü
tarix06.02.2018
ölçüsü91,82 Kb.
#25768


RHIC LUMINOSITY UPGRADE PROGRAM

Wolfram Fischer



,

Brookhaven National Laboratory, Upton, New York, USA



Abstract

The Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) operates

with either ions or polarized protons. After increasing the

heavy ion luminosity by two orders of magnitude since

its commissioning in 2000, the current luminosity upgrade

program aims for an increase by another factor of 4 by

means of 3D stochastic cooling and a new 56 MHz SRF

system. An Electron Beam Ion Source (EBIS) is being

commissioned that will allow the use of uranium beams.

Electron cooling is considered for collider operation below

the current injection energy. For the polarized proton op-

eration both luminosity and polarization are important. In

addition to ongoing improvements in the AGS injector, the

construction of a new high-intensity polarized source has

started. In RHIC a number of upgrades are under way to

increase the intensity and polarization transmission to 250

GeV beam energy. Electron lenses will be installed to par-

tially compensate the head-on beam-beam effect.



INTRODUCTION

The Relativistic

Heavy Ion Collider (RHIC) at

Brookhaven National Laboratory has been in operation

since 2000. RHIC is the first and one of two existing heavy

ion colliders (the LHC has not yet collided heavy ions),

and the the only existing polarized proton collider. So far

four combinations of particle species collided (Au-Au, d-

Au, Cu-Cu, polarized p-p), at 12 different center-of-mass

energies [1]. Over the last decade the heavy ion luminos-

ity increased by 2 orders of magnitude (Fig. 1) and exceeds

the design luminosity by a factor of 10 (Tab. 1). The po-

larized proton luminosity increased by more than one or-

der of magnitude (Fig. 1), and the average store polariza-

tion reached 55% and 34% at 100 GeV and 250 GeV re-

spectively. At the highest rigidities the beam is colliding

55% of calendar time (including all interruptions such as

setup, maintenance, failures, and accelerator physics ex-

periments) [1].

After the RHIC heavy ion design parameters were

demonstrated in 2001, enhanced design parameters were

formulated calling for a quadrupling of the average store

luminosity. The achieved luminosity exceeds this goal, and

new goals are set (Tab. 1). The current upgrade program

aims to increase the heavy ion luminosity by more than a

factor 2 from current levels, to bring into operation a new

Electron Beam Ion Source (EBIS), and to extend the oper-

ation to energies below the nominal injection energy.

For polarized protons it is planned to bring the spin po-

larization to the design value of 70% at the highest energies

Work supported by Brookhaven Science Associates, LLC under Con-



tract No. DE-AC02-98CH10886 with the U.S. Department of Energy.

Wolfram.Fischer@bnl.gov



Figure 1: Time evolution of the integrated luminosity of the

RHIC heavy ion runs at 100 GeV/nucleon (top) and polar-

ized proton runs at 100 GeV and 250 GeV (bottom) from

2000 to 2010. For heavy ions the nucleon-pair luminosity

L

NN

= LN



1

N

2



is plotted, where

L is the luminosity and

N

1,2


are the number of nucleons for the species in the two

beams respectively. For protons the average store polariza-

tion is noted.

(250 GeV) and to increase the luminosity by up to a factor

of 6 over current levels (Tab. 1).

UPGRADES FOR HEAVY IONS

The goal of the heavy ion luminosity upgrade is to bring

the luminosity close to a level where the dominant beam

loss is from burn-off, i.e. particle loss from collisions with

the other beam. With the highest luminosities listed in

Tab. 1 the luminosity lifetime from burn-off is 9 h. When

burn-off is the dominant beam loss the luminosity can be

increase further only by storing and colliding more beam

of the same density, not by reducing

β



or the emittance.

The luminosity upgrade at full energy has 3 main compo-

nents: a reduction of

β



from currently 0.75 m to 0.50 m,

the full implementation of stochastic cooling in all 3 di-

mensions, and the installation of a 56 MHz superconduct-

ing radio frequency system.

The reduction of

β



is an ongoing effort.

β



values of

Proceedings of IPAC’10, Kyoto, Japan

TUXMH01

01 Circular Colliders



A01 Hadron Colliders

1227



Table 1: Enhanced design, achieved and further RHIC upgrade parameters. The design average Au-Au luminosity is

2 × 10


26

cm

−2



s

−1

, the design peak p-p luminosity is



2 × 10

32

cm



−2

s

−1



, and the the design spin polarization for proton

beams is 70%.

parameter

unit


enhanced

achieved


next

achieved


enhanced

next


design

upgrade


design

upgrade


2010

≥2012


2009

≥2012


≥2014

Au-Au operation

polarized p-p operation

particle energy

E

GeV/n


— 100 —

100 / 250

100 / 250

250


no of bunches

N

...



— 111 —

— 109 —


bunch intensity

N

b



...

1.1


1.1

1.0 × 10


9

1.3 / 1.1

1.3 / 1.5

2.0 × 10


11

IP envelope function

β



m



1.0

0.75


0.5

0.7 / 0.7

0.85 / 0.5

0.5


norm. rms emittance

n

mm



·mrad

2.5


2.8

2.5


3.0 / 2.5

2.5


2.5

rms bunch length

σ

s

m



0.3

0.3


0.3

0.8 / 0.6

0.55

0.3


hourglass factor

h

...



0.96

0.93


0.88

0.72 / 0.80

0.86 / 0.88

0.88


beam-beam parameter

ξ/IP


10

−3

1.6



1.5

1.5


6.5 / 4.7

6.5 / 7.2

10

peak luminosity



L

peak


cm

−2

s



−1

36

40



55 × 10

26

50 / 85



50 / 250

500 × 10


30

average luminosity

L

avg


cm

−2

s



−1

8

20



40 × 10

26

28 / 55



30

/ 150



300 × 10

30

average polarization



P

%

———



55 / 34

70

70



calendar time in store

%

60



53

55

60 / 53



55

55

integrated



L per week

...


300

650


1300

μb

8.3 / 18



10 / 50

100 pb


−1

Until the 2009 polarized proton run, the enhanced design goal for the average store luminosity at 100 GeV was



60 × 10

30

cm



−2

s

−1



. In the current

machine configuration this appears unachievable due beam lifetime limitations.

0.75 m were reached in the most recent run [2], far below

the design value of 2.0 m.

β



= 0.65 m was tested but poor



beam lifetime of off-momentum particles prevented stable

operation. Low

β



values require that chromatic correc-



tions are implemented at the lattice design stage [3] since a

small radial aperture prevents beam-based correction of an

otherwise uncorrected lattice.

Figure 2: First Au store with vertical stochastic cooling.

When the cooling starts the emittance of both transverse

planes is reduced through cooling of the vertical plane and

coupling. This is observable with an Ionization Profile

Monitor. (left scale). The luminosity signal of both ex-

periments (right scale) increases visibly [4, 5].

The main luminosity lifetime limit for heavy ions is in-

trabeam scattering. To overcome the emittance increase

and particle loss from that effect, bunched beam stochas-

tic cooling was implemented in the longitudinal plane in

Figure 3: Vertical stochastic cooling kicker. The kicker is

open for injection and acceleration (shown) and closed for

cooling operation at store.

2007 [4, 5] and in the vertical plane in 2010 (Fig. 2). Fig-

ure 3 shows one of the vertical kickers installed in both

rings. Horizontal cooling systems are under construction.

With stochastic cooling an increase in the average luminos-

ity of a factor 4 is planned (Fig. 4), half of which has been

realized in the most recent Au-Au run [2]. The cooling

system operates in the 4-8 GHz range, and cooling times in

both the longitudinal and transverse dimension are of order

1 h.

Even with longitudinal stochastic cooling intrabeam



scattering still drives particles out of the RF buckets. This

effect can be ameliorated through stronger longitudinal fo-

TUXMH01

Proceedings of IPAC’10, Kyoto, Japan



1228

01 Circular Colliders

A01 Hadron Colliders



Figure 4: Calculated average store luminosity as a func-

tion of the longitudinal vertex cut for longitudinal stochas-

tic cooling only, and 3-D cooling with different RF systems

(courtesy M. Blaskiewicz).

cusing. A 56 MHz beam-driven superconducting RF cav-

ity, common to both beams, is under construction. This

cavity is expected to increases the luminosity by another

30-50% (Fig. 4) [6]. The 56 MHz RF system (

h = 2×360)

is in addition to the existing normal conducting 28 MHz

(

h = 360) accelerating, and the 197 MHz (h = 7 × 360)



storage RF systems.

Bunches are filled in every third

bucket of the 28 MHz system.

The ion beam intensity is currently limited by beam

loading effects in the four 197 MHz normal conducting

storage cavities common to both beams (there are 3 more

197 MHz cavities in each ring). The common cavities will

be removed and placed in both rings separately. This is

possible because new RF windows allow for higher volt-

ages [7].

The beam intensity is also limited by instabilities at tran-

sition [8, 9], driven by the machine impedance and elec-

tron clouds [10]. In the 2010 run the intensity threshold

for the instability was found to be higher than in previous

years. This could be due to 2 short scrubbing runs with

high intensity proton beams in 2009 [11], which could have

cleaned parts of the beam pipe surface in the cold arcs.

Most of the warm sections are coated by NEG material,

and to reduce the electron cloud density further the sec-

ondary electron yield (SEY) in the cold arcs also needs

to be reduced. Scrubbing with beam is expected to be

time consuming [12], and tests with protons showed that

the beam losses associated with scrubbing need to be con-

trolled in order not to upset any electronic equipment in the

tunnel [11]. An in-situ coating technology for the arcs is

under development [13].

A new Electron Beam Ion Source (EBIS) (Fig. 5) is

under commissioning. EBIS is followed by an RFQ and

a short linac, both also new, before the ions are injected

into the AGS Booster [14]. This setup replaces the cur-

rently used two Tandem Van de Graaff electrostatic pre-

accelerators, in service since 1970 and upgraded several

times. Without EBIS the Tandems would need to undergo

a comprehensive reliability upgrade EBIS will also be able

to deliver U beams at intensities comparable to Au, which

is not possible with the Tandems. With U collisions larger

densities of nuclear matter can be achieved than with Au

collision due to the shape and mass of the U nuclei. EBIS

can be also be used as an ionizer for spin polarized

3

He gas.



Figure 5: Electron Beam Ion Source (EBIS) under com-

missioning [14].

The search for a critical point in the QCD phase diagram

requires operation at several energies below the nominal in-

jection energy. At these low energies, magnet field errors

from persistent currents in the superconducting magnets

are particularly pronounced, the beam size is large, both

intrabeam scattering and space charge effects are strong,

and beam-beam effects are present. This presents unique

challenges for colliding beams [15]. Beam and luminosity

lifetimes are only minutes, and store lengths are limited to

20 min. Frequent refills are essential to produce a good av-

erage luminosity. Event rates in the detectors are of order

1 Hz only. Figure 6 shows the ion intensities in the 2 ring

during a day (30 April) in the 2010 operation at a beam en-

ergy of 3.85 GeV/nucleon. To operate at this energy, the

defocusing sextupole polarities need to be reversed, and

octupoles were found to improve the beam lifetime. Due

to the low luminosity lifetime, interception of the lost ions

in well controlled areas (collimators, abort) is required to

avoid material activation in uncontrolled areas. The exper-

imental program has these low energies has just started and

electron cooling is considered to increase the luminosity by

up to an order of magnitude in future years [16].

Heavy ion operation also requires frequent changes in

particle species and collision energy [1]. For ramp develop-

ment simultaneous orbit, tune, coupling, and chromaticity

feedbacks are now available, which considerably shorten

the time to commission a new ramp [17].

Proceedings of IPAC’10, Kyoto, Japan

TUXMH01

01 Circular Colliders



A01 Hadron Colliders

1229



Figure 6: Beam intensity of stores of gold beam at 3.85

GeV/nucleon (total energy), corresponding to 38% of the

nominal injection rigidity.

UPGRADES FOR POLARIZED PROTONS

RHIC has stored and collided the highest energy spin

polarized proton beams [18]. For the experiments the fig-

ure of merit with longitudinally polarized beams, the main

operating mode, is

LP

2



B

L

2



P

where


L is the luminosity and

P

B,Y



the polarization of the Blue and Yellow beam respec-

tively.


The polarization is limited by the source, the polariza-

tion transmission in the AGS, the polarization transmission

in RHIC (for energies above 100 GeV), and the polariza-

tion lifetime in RHIC. The main luminosity limit comes

from the beam-beam effect that creates tune spread. The

beam-beam effect together with other nonlinear effects and

parameter modulations limits the bunch intensity and lu-

minosity lifetime. At 100 GeV this is now a hard limit

(Tab. 1) [19].

An upgrade of the OPPIS source has started, to increase

the current by an order of magnitude to 10 mA, and the

polarization by about 5% to 85-90% [20, 21].

In the Booster no polarization is lost during acceleration.

In the AGS, however, the polarization transmission in only

about 75% for bunch intensities of

1.5 × 10


11

leading for a

polarization of up to 65% for that intensity [22]. The lowest

order depolarizing resonances are addressed with 2 partial

snakes (one normal conducting and one superconducting).

With partial snakes the stable spin direction is not verti-

cal any more and polarization is also lost due to weaker

horizontal resonances. A tune jump system has been built

and tested to cross a total of 82 horizontal resonances in

100


μs, much faster than with the normal ramp rate. This

is expected to yield up to 5% more polarization (absolute).

Figure 7 shows one of the two AGS tune jump quadrupoles.

In RHIC the polarization is preserved with two Siberian

snakes [24] that create a constant spin tune of 0.5.

No polarization loss is observed from injection up to

100 GeV [18]. With acceleration to 250 GeV not all of the

polarization was preserved, due to depolarizing resonances

Figure 7: One of two AGS tune jump quadrupoles [23].

above 100 GeV, which are about twice as strong as the res-

onances at the lower energies. In experiments it was also

found that the polarization transmission is strongly depen-

dent on the vertical betatron tune (Fig. 8) and that acceler-

ation near a vertical tune of 2/3 will preserve the polariza-

tion to 250 GeV. To accelerate a high-intensity beam near

a low order resonance requires upgrades to the main power

supplies, an improved control of orbit, tune, coupling, and

chromaticity on the ramp (set through feedbacks [17]), and

collimation on the ramp.

Polarized proton operation also requires a vertically well

aligned machine, and polarimetry. Over the first few years

the machine has settled several mm (depending on the lo-

cation), and is realigned every few years. In RHIC there

are 2 polarimeters: a polarized hydrogen jet that delivers

absolute polarization but needs measurement periods of at

least a store, and a Carbon Nuclear Interference (CNI) po-

larimeter that delivers instantaneous polarization but needs

calibration with the hydrogen jet. The CNI polarimeter has

been upgraded, and needs further upgrade in order to cope

with the rates of higher intensity beams.

A spin flipper is under construction, based on an AC

dipole, to flip the spin of all bunches. This way system-

atic effects in the experiments can be reduced.

The luminosity upgrade for polarized protons has a two

components: The reduction of

β



from currently 0.7 m to

0.5 m, and the increase of the bunch intensity from

1.5 to

2.0 × 10


11

(Tab. 1) and perhaps beyond.

As for the ion lattices, chromatic aberrations have to be

corrected for the reduction of

β



. For the increase of the



bunch intensity three problems must be addressed. First,

with higher bunch intensity the polarization drops. This

can be mitigated by the source upgrade (see above), or im-

provements in the AGS (see above). Second, the higher

bunch intensity also requires acceleration of a higher to-

tal intensity. In one of the rings (Yellow) the total inten-

sity is currently limited, likely because of electron cloud

effects [26]. Acceleration with a 9 MHz system (

h = 120),

which has been tested in 2009, would reduce the electron

cloud density. The 9 MHz system also allows to preserve

the longitudinal emittance better through injection match-

TUXMH01

Proceedings of IPAC’10, Kyoto, Japan



1230

01 Circular Colliders

A01 Hadron Colliders



0.67

0.68


0.69

0.7


0.71

0.72


vertical tune

0

0.2



0.4

0.6


0.8

1

Polarization transmission efficiency(CNI #1)



Blue

Yellow


Figure 8:

Polarization transmission from injection to

250 GeV as a function of the vertical tune (courtesy M.

Bai).


ing and thereby reduce the hourglass effect at store. Third,

the total intensity is now also limited by the beam abort

system. Ramps that were aborted at the highest energies

have repeatedly quenched the superconducting quadrupole

that follows the (internal) beam dump [27]. After analy-

sis and simulations [28] the beam pipe in the dump is now

thickened to increase the acceptable intensity.

To mitigate the fundamental problem of beam-beam

generated tune spread in head-on collisions, two electron

lenses are under construction (Fig. 9) [29]. Electron lenses

are installed in the Tevatron and used as abort gap clean-

ers [30]. The partial compensation of the head-on beam-

beam effect, together the polarized source upgrade (see

above), are expected increase the luminosity by a factor of

two.

Figure 9: Layout of the RHIC electron lens. The electron



beam travels from right to left, the proton beam in the op-

posite direction (courtesy J. Hock).



SUMMARY

The Relativistic Heavy Ion Collider is in operation for

10 years and the heavy ion average store luminosity has

reached 10 times the design value (Tab. 1).

This was

achieved through an increase in the bunch intensity and

number of bunches, a reduction in

β



, and most recently,

the implementation of longitudinal and transverse stochas-

tic cooling during stores. A further upgrade of the stochas-

tic cooling system and a beam-driven 56 MHz supercon-

ducting RF system are expected to yield another factor of 2.

The heavy ion program is now extended to energies below

the nominal injection energy, where a luminosity increase

through electron cooling is planned. An Electron Beam Ion

Source is under commissioning allowing for high-intensity

U beams.


RHIC has operated with polarized protons at 100 GeV

and 250 GeV (Tab. 1). A source upgrade is expected to

increase both the polarization and the bunch intensity. A

tune jump system in the AGS is under commissioning to

improve the polarization transmission in that machine. Ac-

celeration with the vertical tune near a 2/3 resonance is

planned to increase the polarization transmission to the

highest energies. A 9 MHz RF system will allow longi-

tudinal injection matching and acceleration with reduced

electron cloud effects thereby better preserving both the

longitudinal and transverse emittances. Electron lenses are

under construction for both beams to mitigate the head-on

beam-beam effect.

ACKNOWLEDGMENTS

The author is thankful to the members of the Collider-

Accelerator Department at Brookhaven National Labora-

tory whose collective work is reported here.



REFERENCES

[1] www.rhichome.bnl.gov/RHIC/Runs

[2] K. Brown et al., MOPEC023, these proceedings.

[3] Y. Luo et al., BNL C-A/AP/348 (2009).

[4] J.M. Brennan, M. Blaskiewicz, and F. Severino, Phys. Rev.

Lett. 100, 174802 (2008).

[5] J.M. Brennan and M. Blaskiewicz, PAC’09, WE3GRI01.

[6] A. Fedotov, PAC’09, WE6PFP004.

[7] A. Zaltsman, private communication (2010).

[8] C. Montag et al., Phys. Rev. ST – Accel. Beams 084401

(2002).

[9] V. Ptitsyn et al., TUPEB053, these proceedings.



[10] W. Fischer et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 11, 041002

(2008).


[11] W. MacKay, private communication (2009).

[12] P. He and W. Fischer, PAC’09 TH5PFP002.

[13] A. Hershcovitch et al., these proceedings.

[14] J. Alessi et al., PAC’09, MO6RFP025.

[15] T. Satogata et al., PoS(CPOD 2009)052 (2009).

[16] A. Fedotov et al., BNL C-A/AP/307.

[17] M. Minty et al., MOPEC030, these proceedings.

[18] M. Bai et al., PAC’09, MO4RAC04 (2009).

[19] C. Montag et al., MOPEC033, these proceedings.

[20] A. Zelenski, Rev. of Sc. Instrum., 81, 02B308 (2010).

[21] A. Zelenski, proceedings PST2009 (2009).

[22] H. Huang et al., PAC’09, FR1GRC04.

[23] H. Huang et al., PAC’09, TU6RFP066.

[24] V. Ptitsin and Y.M. Shatunov, Nucl. Instrum. Methods A398,

pp. 126-130 (1997)

[25] V. Ptitsyn et al., THPE054, these proceedings.

[26] V. Schoefer, private communication (2010).

[27] L. Ahrens, private communication (2010).

[28] K. Yip, private communication (2010).

[29] W. Fischer et al., MOPEC026, these proceedings.

[30] X.-L. Zhang et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams 11, 051002

(2008).


Proceedings of IPAC’10, Kyoto, Japan

TUXMH01


01 Circular Colliders

A01 Hadron Colliders



1231

Yüklə 91,82 Kb.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə