Vermeidung von unkontrollierten Protonen-Strahlverlusten in HERA

Im November 2003 gab es unkontrollierte Strahlverluste in Hera-p durch den Ausfall kritischer Quadrupole, die eine erhöhte Strahlungs-Dosis in den Hallen zur Folge hatten. Die Vermeidung derartiger Verluste wurde deshalb mit höchster Priorität verfolgt.

Grömitz 2004 Matthias Werner

Strahlverlust-Mechanismus

Nach Ausfall eines kritischen Magneten beginnt der Strahl mit etwa exponentiell anwachsender Amplitude zu schwingen. Bis zum Auftreten messbarer Verluste dauert es typisch einige Millisekunden - aber dann “explodiert” der Strahl innerhalb weniger Umläufe.

t0

X oder Y

Netzteil-Ausfall

ErsteVerluste

Total-Verlust

Aper-tur

lang kurz

Beam Loss Monitore (BLMs)

Koin-zidenz

Hera-Beamline

ZählerEinstellbare Schwelle

1/30 oder1/4 Alarm

Alarm-loop

ca. 240 Stück

Post-mortem-Recorder

BLM-Alarm

Vorteil:

• Reagiert bereits bei kleinen Verlusten

Nachteil:

• Reaktions-Zeit > 5ms (Quench-Protection)

Verbesserungs-Option:

• Reaktions-Zeit verkürzen durch neue Elektronik

ACCT-Alarm: Blockbild

Amp.

Beamline

ToroidBase-Line-Recon-struc-tion

Digital-Filter mit Rechteck-Stoß-Antwort

A/D

Kom-para-tor

Dump

Tracking Reference

Tief-Pass-Filter

Bunchstrom-Messung

Digital-Filter des ACCT-Alarms

t

1 Hera-Umlauf = 21.12 s

• Prinzip: Integration bzw. Summation genau über einen Hera-Umlauf, dadurch wird die Umlauf-Frequenz und alle ihre Harmonischen vollständig unterdrückt.

• Schnelle Reaktions-Zeit.

• Bekannt von Messgeräten, die über 20 ms integrieren,um die Netz-Frequenz (50Hz) zu eliminieren.

• Mit Analog-Filtern nur bei extrem großem Aufwand erreichbar.

Bunch-Ladung

Verschieden positionierte Integrations-Intervalle

Immer gleiches Ergebnis

ACCT-AlarmVorteil:

• Nur ein Modul erforderlich

Nachteil:

• Modul kann erst reagieren, wenn bereits Verluste im Prozent-Bereich vorhanden sind; das ist manchmal zu spät.

Verbesserungs-Option (Software):

• Maskierung bei kleiner Energie zur Vermeidung von Fehl-Dumps

DCCT-Alarm: Prinzip

DCCT-Elek-tronik (Bergoz)

Beamline

Toroid

Dump

Schwelle

(Zur Zeit nicht aktiv)

Butterworth-Tiefpass

4-ter Ordnung

Bandsperre47 kHz

(Hera-Umlauf)

Bandsperregegen

DCCT-Noise

Komparator

Hochpass1-ter Ordnung

fg=5Hz

DC-Strom-Messung

BPM-Alarm: Prinzip

Hera-Beam-Line

BPM Hybrid

Y-Pos.

X-Pos.

Berechnung der Positionen aus den

Platten-Werten in Analog-Technik

A/D Digitaler Schwellen-Vergleicher

1/4 Alarm

Alarm-Loop

A/D

BPM-Alarm

Vorteil:

• Alarm kommt früh (bevor Verluste auftreten)

Nachteil:

• Alarm-Schwellen hängen vom momentanen Orbit ab; daher ist eine zuverlässige Funktion schwierig zu implementieren

• Nur symmetrische Schwellen möglich

Interner Power-Supply-Alarm

Vorher: SPS verzögert > 5 ms

SPS Ali

Alarm 1

Alarm 2

Alarm 3

……….

Alarm-Loop

Alarm!Delay › 5 ms

Nachher: Elektronik verzögert < 0.1 ms

Delay ‹ 0.1 msVon MKK implementiert

Interner Power-Supply-Alarm

Vorteile:

• Frühester Alarm

• Keine kritischen Schwellen

Nachteil:

• Reagiert nicht rechtzeitig bei Regler-Ausfall

Magnetstrom-Alarm

Eine Kollaborations-Projekt zwischen MKK und MDI

MKK-Expertise

MDI-Expertise

Magnetstrom-Alarm

+ =

Ideen für Dump-Kriterien beim Magnetstrom-Alarm (Stand Nov’03)

Schwelle fürMagnet-Spannung!

Schwelle fürMagnet-Strom!

Kombination ausMagnet-Spannung

und Magnet-Strom!

So schnellwie möglich!

Magnetfeld in der Strahl-Kammer ist entscheidend!

Einige Magnet-EigenschaftenSättigung, Hysterese

Wirbelströme

Zeitkonstante (0.18 .. 1.1 s)

U(t):

I(t):

I

B

I(t):

U(t):

B(t): Feld-Änderung ist wesentlich geringer als Strom-Änderung (bis ca. Faktor 4)

B/B < I/I

Abfall des Magnetfeldes bei Fehler

U(t):

I(t):

Schlimmster Fall: Plötzliche Unterbrechung einer Magnetstrom-Zuleitung: sehr schneller Abfall des Magnetfeldes (unwahrscheinlich)

Schon besser: Kurzschluss der Magnetstrom-Zuleitungen: Magnetfeld-Abfall mit (Magnet) = L(Magnet) / R(Magnet)(auch unwahrscheinlich)

Gut beherrschbar: Ausfall eines Netzgerätes oder Regelungs-Fehler: Magnetfeld-Abfall langsamer als mit (Magnet) wegen Ripple-Filter (wahrscheinlichster Fall)

U(t):

I(t):

U(t):

I(t):

Netzgerät fällt aus

Durch Magnetstromalarm abgedeckt (je nach Einstellung)

Welches Signal als Dump-Kriterium verwenden?

Magnet-Spannung?

t

u

Magnet-Strom?

t

iDCCT

Spannungs-Einbrüche

Stufen-

Trafo

Magnetfeld-Simulation!

t

HUH Schätz-Filter

Einstreuungen in das DCCT-System und Störungen in der Halle würden Fehlalarme beim Schalten von Netzteilen bewirken.

spike

Kurze aber hohe Spannungs-Spitzen würden unnötige Dumps auslösen

Entscheidendes Kriterium, erste Versuche erfolgreich !

spike

Magnetfeld ist bei realen Magneten nicht proportional zum Magnetstrom

Magnetfeld-Schätz-Filter

Erste Realisierung: Tiefpass 1.Ordnung mit Zeitkonstante des Magneten:

RC

Zeitkonstante F = R*C

Magnet: Zeitkonstante M = L/R (für kleine Aussteuerung)

Als Zeitkonstante für das Schätz-Filter wurde zunächst F = M gewählt.

Schätz-Filter

Tests und evtl. dynamische Magnetfeld-Messungen müssen zeigen, ob Modifikationen notwendig sind.

Magnetstrom-Alarm: Signalfluss (vereinfacht)

HV-Box

UH

Alarm Dump BKR

Vor-Alarm BKR

Min/Max-Speicher

Kurzzeit-Recorder

Langzeit-Recorder

Digitale Signal-Verarbeitung

Magnet-Spannung

Magnet-Strom

Schwellen

DCCT

A/D

Komp.

Magnetfeld-Schätz-Filter

Hochpass 1.Ordnung Änderungen

erkennen OR-Gatter

= Monitor-Buchse

Komp.

D/ADigital-Interface

LEDs, Schalter, TasterKursiv = Option

d

d

d = Differenz-Eingang

Magnetstrom-AlarmVorteil:

• Einziges System, das bei Fehlern in der Magnetstrom-Regelschleife einen Alarm vor den ersten Strahl-Verlusten auslösen kann

Nachteil:

• Alarm-Schwellen sind kritisch und müssen sorgfältig eingestellt werden, Versuche sind notwendig.

Erste Betriebs-Erfahrungen liegen vor: 1 Woche Probe-Betrieb + 2 Tage “scharfer” Betrieb mit 3 Geräten. Keine Fehl-Auslösungen. Volle Stückzahl (14 Geräte) wird demnächst eingebaut.

Empfindlichkeit und Geschwindigkeit des Magnetstrom-Alarmes

Die Magnetfeld-Auflösung beträgt etwa 1E-5 bezogen auf den Magnetstrom bei Lumi-Energie. Damit ist sie kein begrenzender Faktor.

Die Basis-Verzögerung beträgt ca. 20s. Damit ist auch sie kein begrenzender Faktor.

Die praktisch erreichbare Abschalt-Verzögerung hängt prinzipiell von der Stabilität der Stromversorgung ab. So darf beim Schalten des Stufen-Trafos noch kein Alarm ausgelöst werden, obwohl dadurch schon ein erheblicher Orbit-Spike ausgelöst wird!

Frage: Muss das Magnetstrom-Rampen gesondert behandelt werden, weil es andernfalls möglicherweise die Empfindlichkeit begrenzt oder die Wahrscheinlichkeit einer unerwünschten Auslösung erhöht? Antwort durch entsprechende Versuche.

Magnetstrom-Alarm: FotoHV-Box hier nicht gezeigt.

Alte / neue AlarmeBis November 2003 vorhanden:

• BLMs (Delay > 5ms)

• Interne Power-Supply-Alarme (Delay > 5ms)

Neue / verbesserte aktive Alarme:

• Eingebaut: ACCT-Alarm

• Schneller gemacht: Netzteil-Alarme (Delay < 100s), ALIs, Dump

• Entwickelt: Magnetstrom-Alarm

Weitere Möglichkeiten (wenn notwendig):

• BLM-Auswertung schneller machen

• DCCT-Alarm aktivieren

• BPM-Alarme aktivieren

Weitere getroffene Maßnahmen

Erhöhung der Zuverlässigkeit der Magnetstromversorgung:

Vortrag von W. Kook

Verlust-Alarm-Topologie (Auszug)

ALIs

ALIs

ALIs

ALIs

Alarmloop-Zentrale

Alarmloop

DUMP

BLMs + BPMs

Interne Power-Supply-Alarme

Galv. Trenn.

schneller gemacht

ACCT-Alarm

DCCT-Alarm

“Alarm-Loop-Interface”

Magnetstrom-Alarm

Timing der zur Zeit verfügbaren Alarme bei Ausfall eines kritischen Magneten

t0

X oder Y

Netzteil-Ausfall

Aper-tur

BLM-Alarm

ACCT-Alarm

Interner Power-Supply-Alarm

Magnet-strom-Alarm

Total-Verlust

Leider in diesem Fall zu spät

Die Zukunft wird zeigen, ob weitere Maßnahmen zur Vermeidung

unkontrollierter Strahlverluste in Hera-p erforderlich sind.