9/28/2005 Verena Kain, CERN-AB-OP 1

Ein „Machine Protection System“ für den LHC

V.Kain CERN-AB-OP

Inhalt • LHC Parameter• Wieso „Machine Protection“? • Typische Ausfallszenarien• Schutzsysteme• Performance-Evaluierung der Schutzsysteme• Zusammenfassung

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Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN

• Umfang: 26.7 km (LEP Tunnel)• Injektionsenergie: 450 GeV• Topenergie: 7 TeV• 2 konter-rotierende Strahlen (beam 1, beam 2) Protonen-Operation:• 2808 Teilchenbunche pro Strahl• 1.15 x 1011 p+ pro Bunch• ~ 3 x 1014 p+ pro Strahl

~ 360 MJ pro Strahl gespeicherte Energie(ausreichend, um 500 kg Cu zu schmelzen)

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Wieso Machine Protection?

• Der Protonenimpuls ist einen Faktor 7 über anderen Beschleunigern• Die gespeicherte Energie einen Faktor 100• Die transversale Energie- dichte einen Faktor 1000

Ausserdem: Supraleitende Magneten (8.3 T) werden benötigt, um den Strahl auf der Umlaufbahn zu halten. Strahlverlust von 10-8 – 10-7 des Strahles @7 TeV Quench

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Machine Protection bei Injektion• 2.4 MJ in 450 GeV injizierten Strahl (3.2x1013 p+)

• Schadenslimit bei ~ 100 J/cm3

~2x1012p+, ~5 % eines injizierten Batch

• Kleine Apertur in LHC und Transfer Linien bei 450 GeV (~ 7.5 ) ( ~ 0.5 mm)

10 cm~25cm long hole in QTRF chamber

Extraction septum (MSE) trip during high intensity extraction, Oct 2004

Typische Ausfallszenarien Störfälle mit Magneten

Supraleitende Magnete– Quench von supraleitenden Magneten: Stromabfall Gaußisch,

Zeitkonstante ~ 200 msQuenche sind wahrscheinlicher bei 7 TeV, weil weniger Toleranz bei 7

TeV.

Normalleitende Magnete– Ausfall eines Power Converter (kurze Zeit Konstante für den

exponentiellen Stromabfall – schnelle Orbit Degradierung und andere Effekte auf den Strahl)

– Schnellster Mechanismus führt zur Zerstörung der Kollimatoren innerhalb von 30 Turns: die schnellsten Magnet-Quenche sind um einen Faktor 2 langsamer.

Kicker Magnete– Unsynchronisierte Ablenkung des Strahls oder Ablenkung mit falschem

Winkel durch Dipolmagnete mit schnell Feldanstieg (Kicker) kann zu Strahlverlust in weniger als einem Turn (~ 89 s) führen. → Injektion, Extraktion

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• Viele Mechanismen identifiziert, die zu Strahlverlust führen

• Strahlverlust kann zu großen Schaden führen• … mit langen Auszeiten• …verbunden mit großen Extrakosten (ein

Hauptdipolmagnet kostet ~ 1 MCHF)

• Eines der wichtigsten Systeme im LHC ist das Machine Protection System (Beschleunigerschutzsystem gegen den eigenen Strahl)

Machine Protection Strategie

1.) Vermeiden

2.) Schutz - aktiver und passiver Schutz

•Wichtigste Strategie•Konzepte zum Vermeiden von gefährlichen Situationen•Beispiele: beam presence flag, safe beam flag

Courtesy B. Goddard

Aktiv

Passiv:Kollimatoren...

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Vermeiden Beispiele

• „Safe Beam Intensity“ (SBI): Die nominelle injizierte Strahlintensität ist über dem Beschädigungslimit von Hardware. Um LHC zu testen usw. braucht man SBI: ca. 10 nominelle Bunche.

• „Beam Presence Flag“: – Vor erster Injektion in den LHC: software check

aller Parameter – nicht failsafe– „Probing of the LHC“: mit SBI.– Nominelle Intensität darf erst injiziert werden,

wenn garantiert werden kann, dass Strahl zirkuliert.

Passive SchutzsystemeKollimatoren, Absorber

• Kollimatoren, Absorber: Blöcke aus Material, die nahe an den Strahl gefahren werden (können).

• Schützen gegen die schnellsten Strahlverlustmechanismen, die aktiv nicht mehr gestoppt werden können (Störfälle mit Kickermagneten).

• Müssen selber robust genug sein, um die nominelle Strahlintensität auszuhalten → lange Graphit Kollimatoren (z.B.: 6 m langer Absorber gegen Extraktionskicker Fehler).

• Diese Kollimatoren sind zum Teil „transparent“. → Energiedeposition in umliegenden Beschleunigerkomponenten. → Masken.

MaskeKollimatorMagnet

Strahlrichtung

T > 100 °C

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Aktives Schutzsystem Überwachung

• Strahlparameter– Beam Loss Monitore, Beam Position Monitore,

Wire Scanners,…

• Hardware-Parameter– Magnetstromüberwachung,

Postionsüberwachung von Kollimatorbacken,...

• Das Herz des aktiven Schutzsystems ist das Interlockingsystem

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Interlockingsystem (1)

• Prinzip des „Beam Interlocking Systems“ (BIS):– „Alle“ Überwachungssysteme sind User Systeme des BIS

und geben Signal (user permits) .true. oder .false. – BIS ist AND-gate. Nur wenn alle user permits vorhanden

→ beam permit.– Ohne „beam permit“: sofort triggern des

Exktraktionskickers → beam dump.

Beam ‘Permit’ Signals

BIS

User ‘Permit’ SignalsCourtesy B. Todd

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Interlockingsystem (2)The Beam Permit Loops in LHC

Signal Start: ClockwiseSignal Stop: Anti-Clockwise

Signal Stop: ClockwiseSignal Start: Anti-Clockwise

Area 6:Beam Dump Facility

Area 5:CMS Experiment

Area 4:RF Facility

Area 3:Beam Cleaning

Area 7:Beam Cleaning

Area 2:ALICE Experiment

Area 8:LHC-B Experiment

Area 1:ATLAS Experiment

10MHz Rechtecksignal generiert am IP 6-Jeder Controller kann Signal unterbrechen-Jeder Controller kann Signal überwachen

Wenn eines der vier 10MHz Signale am Punkt 6 fehlt, BEAM DUMP!

4 faseroptische Kanäle von Punkt (IP) 61 im Uhrzeigersinn &

1 gegen den Uhrsinn für jeden Strahl

Beam Dump Beam-1 and Beam-2

Beam Interlock Controllers (BIC)

16 BICs- Zwei pro IP

Bis zu 20 User Systeme pro BIC6 x Beam-1

8 x Both-Beam 6 x Beam-2 Courtesy B. Todd

Performance-Evaluierung Simulationen

• Bis jetzt nur numerische Simulationen zur Überprüfung der Performance der Schutzsysteme für den Injektionsprozesses

(= SPS-Extraktion, Transfer, LHC-Injektion) erfolgreich durchgeführt.

• Studiert Ausfallszenarios mit Reaktion der Schutzsysteme, basierend auf realistischen Annahmen für Maschinenzustände.

• Resultat: Die Simulationen haben Schwachstellen aufgezeigt. Mit den Änderungen kann garantiert werden, dass der LHC gegen Injektionsfehler adequat geschützt ist.

InjectionLSS6/TT60 TI 2 LHC injection LHC SPS

TE

D T

T60

TE

D T

I2

TD

I IR

2

MKE MKI

IR2 BEAM1

Extraction Transfer

SPSLHC beam 1

Resultat für Extraktionseptum

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Zusammenfassung• Mit den geplanten Energien und Intensitäten der LHC-

Strahlen wird ein neues Regime betreten, wo Schutz der Maschine gegen den eigenen Strahl von essentieller Bedeutung ist.

• Der LHC wird mit einem ausgeklügelten „Machine Protection System“ ausgestattet sein, bestehend aus:

• Vermeidungsstratgien und –Konzepten• Aktiven Schutzsystemen: Überwachung und Interlocking• Passiven Schutzsystemen: Kollimatoren, Absorber

• Simulationen werden verwendet, um die benötigten Schutzsysteme zu definieren und die Performance zu evaluieren.

• Machine Protection ist eines der Hauptthemen in der gesamten operationellen Planung des LHC.

• Jeder Schritt im „Beam Comissioning“ und auch später bei nomineller Operation wird nach „machine protection“-Gesichtspunkten abgewogen werden müssen.

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Referenzen[1] O. Brüning, P. Collier, P. Lebrun, S. Myers, R. Ostojic, J. Poole, „LHC Design Report

volume I: the LHC Main Ring“, CERN-2004-003-V1, CERN, Geneva, Switzerland, 2004.[2] R. Schmidt et al., „Beam Loss Scenarios and Strategies for Machine Protection at teh

LHC“, LHC Project Report 665, CERN, Geneva, Switzerland, 2003. [3] R. Schmidt et al., „Machine Protection System(s) – Overview“, Proc. Chamonix XIV,

CERN, Geneva, Switzerland, 2005.[4] V. Kain et al., „Equipment Failures and Beam Losses in the LHC“, Proc. EPAC 2002,

Paris, France.[5] R. Assmann et al., „Designing and Building a Collimation System for the High Intensity

LHC Beam“, Proc. PAC 2003, Portland, Oregon, USA. [6] V. Kain et al., „Material Damage Test with 450 GeV LHC-Type Beam“, Proc. PAC 2005,

Knoxville, Tennessee, USA.[7] B. Goddard et al., „TT40 Damage during 2004 High Intensity SPS Extraction“, AB-

Note-2005-014, CERN, Geneva, Switzerland, 2004. [8] R. Schmidt, J. Wenninger, „LHC Injection Scenarios“, LHC Project Note 287, CERN,

Geneva, Switzerland, 2002.[9] R. Schmidt et al., „Machine Protection Issues and Strategies for the LHC“, LHC-

Project-Report-784, CERN, Geneva, Switzerland, 2004. [10] R. Schmidt et al., „Beam Interlocks for LHC and SPS“, Proc. ICALEPS 2003, Gyeongju,

Korea.[11] B. Goddard et al., „Secondary Masks for TCDI, TCLIB and TCDQ Collimators“, LHC-

TCDI-ES-0002, CERN, Geneva, Switzerland, 2005.[12] V. Kain et al., „The Expected Performance of the LHC Injection Protection System“,

Proc. EPAC 2004, Lucerne, Switzerland.[13] V. Kain, „Safe Injection into the LHC“, Proc. Chamonix XIV, CERN, Geneva,

Switzerland, 2005.

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Injektion: Schutz gegen Injektionskickermit 3 Kollimatoren: TDI, TCLIA, TCLIB

Extraktion: Schutz gegen Extraktionskickermit 3 Kollimatoren/Absorbern: TCDQ, TCSG, TCDS

Extraktion zum Dump: 15 m langer Absorberblock. Kann den gesamten Strahl absorbieren.

Beam Cleaning: Teilchen mit Implus-Offset werden entfernt.5 Kollimatoren, 4 Absorber, 1 Scraper

Beam Cleaning: Teilchen mit großen Amplituden werden entfernt.15 Kollimatoren, 5 Absorber, 2 Scraper

Hoch-Luminositätsexperiment: Schutz gegen Extraktionskickerfür Tripletmagnete: 4 Kollimatoren.Schutz gegen Interaktionsdebris:4 Kollimatoren

Überblick LHCDump, Kollimatoren,

Absorber

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Machine Protection bei Injektion

8x1012p+ = ¼ eines vollen Batch

Löcher in Cu : 450 GeV LHC p+ Strahl(vom 2004 TT40 Material Test)

5.3x1012p+ = 1/6 eines vollen Batch

• 2.4 MJ in 450 GeV injizierten Strahl (3.2x1013 p+)

• Schadenslimit bei ~ 100 J/cm3

~2x1012p+, ~5 % eines injizierten Batch

• Kleine Apertur in LHC und Transfer Linien

bei 450 GeV (~ 7.5 ) ( ~ 0.5 mm)

6 mm

Beispiel: Magnetausfall bei SPS Extraktion mit LHC-Strahl

• Ausfall des Extraktionsseptum: wegen EMC vom Strahl auf Temeratur-Sensoren + Interlocking Logik Fehler

• Strom im Magneten war falsch um 5.1%

• Extrahierter Batch war 3.2x1013

Protonen in 7.2 s

10 cm~25cm long hole in QTRF chamber

Extraction septum (MSE) trip during high intensity extraction, Oct 2004

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Resümee...

• […]This incident triggered a series of precautions to be taken for future high intensity operation and demonstrated vividly that machine protection is a serious issue for LHC energies and intensities. High intensity commissioning must be carefully planned, preceded by formal acceptance tests of the involved machine protection equipment. Problems encountered with critical systems must be taken seriously and solved before commissioning can proceed. For high intensity commissioning, machine protection must take priority over efficiency.