Monitorage rapide et asservissement de la luminosité du collisionneur électron-positron japonais SuperKEKB avec des capteurs diamant CVD monocristallins

Fast luminosity monitoring and feedback using monocrystalline CVD diamond detectors at the SuperKEKB electron-positron collider in Japan

• Auteur / Autrice : Chengguo Pang
• Direction : Philip Bambade
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des accélérateurs
• Date : Soutenance le 05/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'accélérateur linéaire (Orsay, Essonne ; 1969-2019)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Fabien Cavalier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philip Bambade, Fabien Cavalier, Marica Biagini, Isabelle Ripp-Baudot, Yukiyoshi Ohnishi, Cécile Rimbault
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marica Biagini, Isabelle Ripp-Baudot
• DOI : 10.70675/dd164661z7a2az4eeez812fz349c02b58cf3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Luminosité

Diamant -- Couches minces

Anneaux de stockage

Mots clés libres

Diffusion Bhabha radiative

Monitorage rapide de la luminosité

Détecteur diamant sCVD

SuperKEKB

Système d’asservissement de l’orbite par modulation et détection synchrone

Radiative Bhabha scattering

Fast luminosity monitoring

. sCVD diamond detectors

SuperKEKB

Dithering orbit feedback system

Résumé

Le collisionneur SuperKEKB, dédié à l'expérience Belle II, prévoit une très haute luminosité, inégalée à ce jour. Son objectif est de fournir une luminosité instantanée de 8x10³⁵ cm⁻²s⁻¹ en mettant en collision des faisceaux minuscules au point d'interaction (IP) sur la base du schéma ''nano-beam''. Par conséquent, un excellent contrôle de l'orbite du faisceau à l’IP est nécessaire pour assurer un recouvrement géométrique optimal entre les deux faisceaux en collision, et ainsi maximiser la luminosité. Dans ce cadre, cette thèse présente le développement et l'implémentation d'un système de monitoring rapide de la luminosité de SuperKEKB basé sur des détecteurs en diamant sCVD. Pour atteindre une précision relative aussi élevée et couvrir une gamme dynamique de luminosité élevée, le processus de diffusion Bhabha radiatif à très petit angle est utilisé, dont la section efficace d’interaction est très importante et relativement bien connue. Des détecteurs diamant sCVD, dont le signal est rapide et qui ont une bonne tolérance au rayonnement, sont utilisés pour détecter les particules chargées dans les gerbes électromagnétiques induites par l’interaction entre les particules Bhabha diffusées et perdues dans le tube à vide du faisceau, et dans les autres matériaux, en particulier un radiateur, à des emplacements choisis spécialement en aval de l'IP, dans les deux anneaux LER et HER. Une simulation de bout en bout du système d'asservissement de l'orbite du faisceau à l'IP basé sur notre signal de luminosité rapide et précis a été réalisé, qui comprend: une estimation du signal du détecteur de diamant sCVD, basé sur des mesures de laboratoire à l'aide d'une source radioactive, la construction de séquences de signal représentative de SuperKEKB comprenant les bruits de fond à un seul faisceau et les particules diffusées par le processus Bhabha, un traitement du signal de luminosité, et la simulation de l'asservissement de l'orbite. Il a été possible de vérifier la faisabilité de ce système pour maintenir la très haute luminosité de SuperKEKB en présence des mouvements du sol et a de déterminer la précision relative du signal de luminosité rapide qu'il est possible d'obtenir toutes les 1 ms. Au cours des phases de mise en service de SuperKEKB, la phase 2 et le début de la phase 3, notre moniteur de luminosité rapide basé sur des détecteurs en diamant sCVD a été installé et utilisé avec succès. Les processus de perte de faisceau, principalement ceux provenant des processus de Bremsstrahlung et de Touschek, ont été étudiés en détail et, par rapport à la simulation, un bon accord a été trouvé. Lors de la mise en service de la collision, des signaux de luminosité intégrés toutes les secondes étaient fournis en continu pour le réglage des paramètres des faisceaux à l'IP. En outre, un signal de luminosité intégré toutes les 1 ms avec la précision relative attendue a également été fourni et utilisé comme entrée du système d'asservissement de l'orbite à l'IP, notamment pour des premiers tests conduits avec succès avec des décalages de faisceau horizontaux introduits volontairement. Davantage de tests de ce système d'asservissement sont attendus pour assurer son bon fonctionnement en continu à l'avenir. Cette thèse présente le développement et l’application d’un système de surveillance rapide de la luminosité basé sur les détecteurs de sCVD diamant de SuperKEKB.

SuperKEKB is at the foremost frontier of high luminosity e⁺e⁻ colliders, dedicated to the Belle-II experiment. It aims to provide an instantaneous luminosity of 8x10³⁵ by involving extremely tiny beams colliding at the Interaction Point (IP) based on the ''nano-beam scheme''. Therefore, excellent control of its beam orbit at the IP is required to ensure the optimum geometrical overlap between the two colliding beams, and thereby maximize the luminosity. Besides, effective instrumentation to diagnose the behavior of the beam at the IP and possible beam interactions between bunches along the train are also quite essential during the long and rather difficult process of machine tuning towards the nominal beam parameters. This thesis presents the development and application of a fast luminosity monitoring system based on sCVD diamond detectors at SuperKEKB, including: (1),train integrated luminosity signals every 1 ms which will be used as input to the dithering orbit feedback system, its relative precision is expected to be better than 1% when luminosity reaches 10³⁴ (2), sensitive train integrated luminosity signals over a large luminosity dynamic range every 1 s which will be sent to the SuperKEKB control room as immediate observable for machine collision tuning, and (3) bunch integrated luminosity signals every 1 s with sufficient relative precision to monitor the collision performance for each single bunch. To achieve such high relative precision and cover a large luminosity dynamic range, the radiative Bhabha process events at vanishing scattering angle will be measured, whose interaction cross-section is quite large and reasonably well known. The sCVD diamond detectors, which have fast signal formation and good radiation tolerance, were used to detect the charged particles in the secondary showers induced by the interaction between the lost Bhabha scattered particles and the beam pipe and specific radiator materials at carefully chosen locations downstream of the IP in both the LER and HER. A start-to-end simulation was performed on the dithering orbit feedback system using fast, precise luminosity signal as input, which includes: sCVD diamond detector signal estimation based on laboratory measurements with a radioactive source, signal sequence construction at SuperKEKB including single beam backgrounds and Bhabha scattered particles, luminosity signal procession, dithering orbit feedback simulation. It enabled verifying the feasibility of this system to maintain very high luminosity in the presence of ground motion, in particular it determined the relative precision of the fast luminosity signal every 1 ms. Besides, the radiation damage of the sCVD diamond detectors in the LER was also estimated based on a FLUKA simulation and applying the NIEL hypothesis. During the Phase-2 and early Phase-3 commissioning periods of SuperKEKB, our fast luminosity monitor based on sCVD diamond detectors was installed and operated successfully. Single beam loss processes, mainly Bremsstrahlung and Touschek, were studied in detail and compared with the simulation, showing good agreement. During the collision commissioning, train and bunch integrated luminosity signals every 1 s were provided for machine tuning. e.g. the vertical beam sizes were determined with the vertical offset scan technique based on our luminosity signals, both the average and for the individual bunches, which is very important and useful for the collision and IP local optics tuning during the long and rather difficult process of SuperKEKB machine tuning towards the nominal beam parameters. Besides, a train integrated luminosity signal every 1 ms with the expected relative precision was also provided and used as input to the dithering orbit feedback system for its first successful tests with deliberately introduced horizontal beam-beam offsets. More tests on the dithering orbit feedback system are expected to ensure its future continuous operation.