Tunesteuerungsautomation bei der Hera P Rampe

S. Herb

(Grömitz Seminar, 2004)

(Die sechs Drehknöpfe, wieder)

Überblick Einleitung• Tunes, Chromatizität und Kopplung

• Steuerung und Reproduzierbarkeit bei Hera P

+ andere SC Proton Beschleunigern

Feedback• PLL (Bemerkung)

• Tests 2004

• Wavelets für Peak-fitting (?)

Schlußfolgerung• Was ist zu erwarten?

TunesTransversale Schwingungen von Protonen (H,V)

Hera P Tunes: ~ 31.29

Fractional Tunes: 0.29 * 47.3 kHz ~ 14 kHz

Tune Spektren (FFT)

H V

Kicker (H) Resonant Pickup (H)

Filter/Amp‘Chirp’ 10-20 kHz in 30 msec @ 8 Hz

RF mixerPC mit FFT Karte,

SignalgeneratorV

Avg of 4 @ 2 Hz

Zulässig: Typisch (fur Rampen) 0.285 – 0.305

Messungen: Qh, Qv kommen aus ‘Peak-Fitting’ von Spektren

Korrektur: 2 verteilte Quadrupol Kreisen

Amp/mixer

Chromatizität

Tunes sind Momentum-abhängig => Verteilung

Breite des Peaks Qh,v P/P * h,v

(Bemerkung: Chromatizität verbindet transversalen mit longitudinalen Schwingungen weil die Teilchen im HF-Bucket ständig das Momentum andern)

Folgen

▪ Hohe Werte (6?) => schlechtes Lebensdauer

▪ Werte 0 => Head-Tail Instabilität

▪ Peak-fitting erschwert?

Messungen

▪ HF-scan (nicht fürs Rampen geeignet)

▪ Peak-Breite (kein Vorzeichen, andere Probleme)

Korrektur: 2 verteilte Sextupole Kreisen

Kopplung

H V Schwingungen (Skew Quad, Solenoid)

=> neue Eigenmoden, Mischungen aus H,V

Kopplungsstärke:

messbar als Mindestabstand von den Tunes

Folgen:

▪ Starke Kopplung schiebt Tunes weit auseinander

▪ Schlechtes Lebensdauer für gekoppelte Moden?

▪ Peaks reagieren nicht wie erwartet auf Quads

Korrektur (Globale Entkoppelung)

▪ 2 Skew Quads für sin/cos Phasen

▪ Tune-abstand Messung hat keine Phaseninformation

=> Skew Quad Scan nötig, um richtige Phase zu finden

Das ‘Bottom Line’

Um die Tunewerte zuverlässig zu messen und steuern, müßen auch Chromatizität und Kopplung gut unter Kontrolle gehalten werden (was sowieso nötig ist)

Entweder sind die reproduzierbar und können durch feste Tabellen während des Ramps korrigiert werden, oder, die müssen gleichzeitig mit den Tunes gemessen und gesteuert werden.

( Das ist schwerig!)

Steuerung und Reproduzierbarkeit (1)

Hauptproblemquelle

SC Persistent Current (PC) Effekte, 40-150 GeV

'Natural' Chromatizität: ~44PC @ 40 GeV ~ 275PC Zerfall @ 40 GeV ~ 30

+ Effekte bei Dipolfelder

(Nicht-lineare) Steuerung▪ Rampsteuerung durch 'B-punkt' von Dipolfeldintegration in Ref. Magneten

▪ Sextupole Feed-forward aus Sext. Feldmessungen in Ref. Magneten

▪ Tabellen für zusätzliche Nicht-lineare Korrekturen (Skew Quads, Sext, Quads, von Operator Knopftuning Archiv)

+ Feedback (Schichtbesatzung mit den 6 Drehknöpfen)

Steuerung und Reproduzierbarkeit (2)

Erfahrungen▪ Mit 'neuen' Tabellen muß nur ein bißchen an Tunes gedreht werden

▪ Auf Zeitrahmen von einige Wochen, kann es significante

Änderungen geben

▪ Es gibt auch Änderungen die mit PC nichts zu tun haben

(z.B. Kopplung, auch oberhalb von 150 GeV)

Bemerkung: Werden Tune/Kopplung Änderungen z.T.

durch Änderungen im Proton Orbit verursacht?

Zustand▪ Tune Feedback ist nötig bei Hera P, aber auch noch Systempflege

▪ Auch wenn Messungen von Chrom. und Kopplung nicht ganz zuverlässig sind, können die für Tuning und Pflege nützlich sein

Und bei anderen P Beschleunigern?Tevatron (Fermilab)

▪ PC Effekte etwas kleiner (höheres Injektionsfeld)

▪ Rampen mit festen Tabellen

▪ PLL Tests, keine Feedbackversuche

RHIC (Brookhaven)

▪ PC Effekte viel kleiner als bei Hera

▪ Rampen mit festen Tabellen, aber

▪ Hohe Erfordernisse für Tunesteuerung (Spin-polarisierte Protonen!)

▪ Viele Arbeit mit PLL Messung/Feedback, nicht in Standardbetrieb

▪ Tests mit Skew Quad Modulation (misst auch Phase?)

LHC (CERN)

▪ PC Effekte größer als bei Hera

▪ Extrem empfindlich gegen Strahlverlust

▪ Entwicklung bei 'Dynamische' Tabellen + Ref. Magneten + PLL + ...

=> keine fertige Lösungen

Feedback: mit PLL?

Strahl =>Tune Signal => PLL => Kicker

Quads

Vorteile: Schnelle, genaue Messung (z.B. 50 Hz)

Nachteile: Emittanz Aufbreitung (?) , Probleme bei Kopplung

Idee: Klute Transverse Feedback System (PLL) könnte mit Hera P Resonant Tune Monitor benutzt werden

=> Faktor ~ 100 in Empfindlichkeit (~ 10 nm)

Meinung: Das Hardware ist da, es wäre unverantwortlich nicht ein Test zu machen. Aber die Arbeit um es um ins Betrieb zu integrieren ist wahrscheinlich nicht angebracht.

Feedback: mit FFT Spektren

Probleme:

▪ Peak-Finding/Fitting muss sehr zuverlässig sein

( jetztiges system ~ “höchste Punkt” (!) )

▪ Tunesteuerung muß Kopplung ‘verstehen’

Fragen:

▪ Können Peakbreite Messungen zuverlässig genug sein,

um die für Feedback auf Chromatizität zu benutzen?

▪ Können Skew Quad Scans schnell genug sein, um Korrekturen während des Ramps zu machen?

FFT: Tests(2004, S. Brinker)

Testprogram:

▪ Bisheriges Peak-fitting

▪ Steuerung auf (Qv+Qh), (einfach, weil Kopplungsunabhängig)

▪ Steuerung auf (Qv-Qh), muss Kopplung berücksichtigen: Tunes werden zuerst auseinandergezogen und wieder zusammengebracht, um Kopplungszustand zu erkunden.

Probleme:

▪ Primitives Peak-fitting begrenzt Nutzung

▪ Tune-exkursionen stören manchmal die Protonen

FFT : Kopplungszustand?H1 V1

V2 H2

Information in relativ Höhe von Direkten / Gekoppelten Peaks

z.B. R = H2/H1 * V2/V1

R = 0 ->1 als Kopplung grösser wird

▪ Steuerung könnte dann Zustandsabhängig erfolgen

▪ Auch für Skew Quad Scans nützlich?

FFT + Wavelets für Peak-fitting?

Problem: ‘Functional Form’ von Tune Peaks sehr variabel, S/N oft problematisch

Wavelets: Beliebige Daten werden mit Localizierten Basis Functionen von verschiedenen Breiten gefittet

( Fourier Transform : Beliebige Daten werden mit Delocalizierten Basis ________ Functionen von verschiedenen Frequenzen gefittet)

Versuch: 2002, T. Lohse, HU Berlin (Hera B Physiker) (Vortrag: http://www-eep.physik.hu-berlin.de/~lohse/tunes/tunes.ppt )

1. FFT Spektrum => Wavelet Fit => Filter auf Wavelet ‘Order’

2. Einfache Fits an prominente Strukturen => Peak Positionen, Breiten

Als Rechnung in online Test Program implementiert (S. Herb)

Wavelet TestProgram

History: KopplungHistory: Peakbreite

History: Tunes

History: Peakhöhe

Eindrücke:

▪ Peak-fitting etwas besser

▪ Kopplung Ratio ‘R’ sehr nützlich

▪ Peakbreite Messung weniger stabil

Was nun?Zu erwarten

▪ Waveletprogram als Tuning Aid fur Operatoren (sh) (+ archivierung von Messungen?)

▪ Wavelets, Kopplungszustand im Steuerungsprogram (sb)

▪ Entkoppelungsalgorithmus fur Stationäre Betrieb (sb?)

▪ P Orbit Feedback (kb) ( aber Probleme mit Monitoren => ??? )

Bemerkung: Es is wirklich schwerig Tests zu machen weil schon kleine Ablenkungen zur Destabilizierung vom Betrieb führen können.

Tunesteuerung fur Rampe, E>150 GeV, Chrom. und Kopplung bleiben zuerst auf Drehknopf, Entkoppelung auf Knopfdrück

Wie es dann weiter geht wird von Erfahrungen und eingesetztes Manpower abhängig sein!