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Geplante Ma nahmen an den Vorbeschleunigern für den zukünftigen Betrieb M. Minty 22 Sept 2004 I) Spezifikationen der Vorbeschleuniger für PETRA-3 II) Top-Up.

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1 Geplante Ma nahmen an den Vorbeschleunigern für den zukünftigen Betrieb M. Minty 22 Sept 2004 I) Spezifikationen der Vorbeschleuniger für PETRA-3 II) Top-Up Mode III) Zuverlässigkeit der Injektionsbeschleuniger IV) Zuverlässigkeitma nahmen an den Injektionsbeschleunigern V) Top-Up Mode Tests

2 Toleranz der Variationen im Gesamtstrom bei PETRA-3: 0.1 % Toleranz der Variationen des einzelnen Bunches bei PETRA-3: 30 % Injektionsfrequenz, f inj 6.25 Hz mit N ppb =10 10 (erster Füllung) Strahlenergie bei Injektion, E inj 6 GeV Emittanz bei Injektion, inj 350 nm-rad (mit E/E = ) Top-up Mode (wobei quasi-kontinuierlich injiziert wird, um den Gesamtstrom möglichst konstant zu halten) Vorteile: konstanter Flux (Wechselwirkungsrate) für die Experimente erleichterte Kontrolle der (stromabhängigen) Strahllagen I) Spezifikationen der Vorbeschleuniger für PETRA-3 (Balewski, Brefeld) niedriger als die jetzige 7 GeV DESY-2 Ejektionsenergie theoretische Emittanz DESY-2 ohne Frequenzmodulation entspricht der jetzigen 160 ms PIA Speicherzeit (DORIS-Mode) typische jetzige Teilchenzahl pro Bunch PETRA-3 Kriterien: zusätzlich muss mit Umschaltungen zwischen e + und e - gerechnet werden

3 II) Top-Up Mode (1) Top-Up im SLS, Swiss Synchrotron Light Source, (Bilder von L. Rivkin): 12 Tage (fast) kontinuierlicher Betrieb 0.3% Variation im Gesamtstrom

4 Top-Up in APS, Advanced Photon Source (Online Display) Top-Up Mode (2) Die Vorteile von Top-Up sind so beeindruckend, dass jeder neue Synchrotronstrahlungsbeschleuniger sich darauf verlässt (Beschleunigerstudien)

5 Lebens- Gesamt- Anzahl Teilchenzahl Injektions- Teilchen per dauer strom von per Bunch periode injiziertem (Stunden) (mA) Bunchen in PETRA (s) Bunch * * * * * * * *10 9 erhöhte Zuverlässigkeit bei der Kanone, LINAC-2, PIA, und DESY-2 Spezifikation des Top-Up Mode (Balewski, Brefeld) Vorgehensweise der Spezifikationen: 1) gewünschter Gesamtstrom und Teilchenzahl pro Bunch bestimmt von den Experimenten 2) die Teilchenzahl pro Bunch ergibt die erwartete Lebensdauer (von Touschek-Scattering bestimmt) 3) mit gewünschter Variation im Gesamtstrom (<0.1%) und Einzelbunchstrom (<30%) werden die Nachfüllperioden und die zusätzlichen Intensitäten optimiert Primäre Auswirkung der PETRA-3 Spezifikation für die Vorbeschleuniger: Vergleich: ~ 8 St 3600 s/St = s im jetzigen DORIS/HERA Betrieb

6 III) Zuverlässigkeit der Injektionsbeschleuniger Die jetzige Uptime-Statistik der Vorbeschleuniger ist unübersichtlich Im schlimmsten Fall sind Zugänge zum Beschleunigertunnel erforderlich. Dem Betriebsbuch 2004 entnimmt man (Notwendigkeit und Wunsch): N zZ t zZ (kein WT) (kein WT) t zwischen t zZ /T [Minuten] [Minuten] zZ [Tagen] [%] LINAC-2/PIA DESY2/ PETRA zZ = zeitweiser Zugang WT = Wartungstag T = Betriebszeit (ohne WT) (kein WT)

7 Modulatoren + Klystrons + SLED LINAC MeV Überblick: Injektor, Linac-2, PIA, und L-Weg (MIN) e - Kanone (150 keV) e + Target 5 Abschnitte (450 MeV, max) 5 (+2) Abschnitte (450 MeV, max) e +/- PIA – Akkumulator (450 MeV) L-Weg IV) Zuverlässigkeitsma nahmen der Injektionsbeschleuniger:

8 Zuverlässigkeitsma nahmen der Injektionsbeschleuniger: Kanone / Injektor Risiko: zerbrechliches Keramikstück zwischen Vakuum und Öl geplante Ma nahmen: entweder eine Erneuerung des Modulators (wie bei den schon erneuerten Modulatoren im LINAC) oder ein Neuaufbau zur Zeit wird ein Vergleich zwischen dem jetzigen Design und dem Trioden-Design fortgesetzt Überblick der Kanone Überblick des Injektors KanoneChopperKollimatorPrebuncher erster Beschleunigungsabschnitt Kollimator schon getroffene Ma nahmen: neues Vakuumsystem (für zügigen Austausch der Kathode) neuer Chopper und Prebuncher neue Optik

9 Zuverlässigkeitsma nahmen der Injektionsbeschleuniger: der e + Konverter Antriebsmotor Wasserkühlung Überblick des E + -Konverters Risiko: Im Fall eines Fehlers (z.B. Wasser- oder Vakuumleck) ~4 Wochen Abkühlzeit Wolfram Target: 17 mm Durchmesser,7 mm Dicke, 5 mm Loch für e - Betrieb Solenoid: Wasser gekühlt, 1.8 T, 3500 A, 10 s, 50 Hz geplante Ma nahmen: Neuer Konversionstarget ohne Lötstellen zwischen Vakuum und Wasserkühlung, mit einem fixierten (nicht beweglichen) Target inner- halb eines keramischen Zylinders, Solenoid ausserhalb des Vakuum- Systems, lokale Bleiabschirmung

10 Zuverlässigkeitsma nahmen der Injektionsbeschleuniger: LINAC-2 (1) schon getroffene Ma nahmen: Erneuerung aller 12 Modulatoren neue Charging Power Supplies neue Verkabelung neue Kontrollen (alte PFN) geplante Ma nahmen: neue Thyratrons (mit höherer Lebensdauer) Modifikation der Kontrollen für die Filament- und Reservoirspannungen (damit die Modu- latortür nicht geöffnet werden muss)

11 Zuverlässigkeitsma nahmen der Injektionsbeschleuniger: LINAC-2 (2) schon getroffene Ma nahmen: alle 12 Abschnitte mit verbesserten Vakuumverhältnissen ersetzt

12 Zuverlässigkeitsma nahmen der Injektionsbeschleuniger: PIA Zuverlässigkeitsma nahmen der Injektionsbeschleunigern: Transportweg PIA DESY schon getroffene Ma nahmen: Implementation einer Massage-Prozedur zwischen PIA und DESY-2 geplante Ma nahmen: Verbesserung der zeitlichen Stabilität des Post-Linac Choppers Aufbau eines Test-Pulsers mit Behlke-Schaltern Bau und Inbetriebnahme eines komplett neuen 125 MHz-Cavity-Systems (2004) Bau einer Reserve-Endstufe für 125 MHz System

13 Überblick: DESY-2 (MDE) PIA f inj = 50 Hz E = 450 MeV N ppb = (1.5-20) 10 9 PETRA-2 f inj = Hz E = 7 GeV N ppb = PETRA-3 f inj = 6.25 Hz E = 6 GeV N ppb = (1.5-10) 10 9 DORIS f inj = 6.25 Hz E = 4.5 GeV N ppb =

14 Injektionsfrequenz, erste Füllung: f rep = 6.25 Hz mit N ppb =10 10 f rep = 6.25 Hz, N ppb = 5 · 10 9, typisch mit e+ N ppb = 8 · 10 9, erreicht mit e+ N ppb > 10 10, typisch mit e- bei E = 4.5 GeV (DORIS-Mode) DESY-2 Transmissionseffizienz (~80%) von Strahlenergie unabhängig - gleich für DORIS-Mode mit E = 4.5 GeV wie beim PETRA-Mode mit E = 7.0 GeV Keine Schwierigkeiten in DESY-2 erwartet Ejizierte Strahlenergie: E = 6.0 GeV E = 4.5 GeV < E = 6.0 GeV < E = 7.0 GeV (DORIS-Mode) PETRA-3 (PETRA-Mode) Keine Schwierigkeiten in DESY-2 erwartet

15 Ejizierte Emittanz: 350 nm-rad with p/p = Mit der jetzigen Optik: E (GeV) Δf (kHz) ε (π nm-rad), Design p/p (10 -3 ) (Δf = die jetzige Frequenzmodulation (bzw Offset), die für Beam-Loading Kompensation mit N ppb >1.5·10 10 benötigt wird) Zusätzliche Ma nahmen (wie Optikänderung oder HF Manipulation) werden untersucht. Solche potentiellen Verbesserungen sind nicht im PETRA-3 Design berücksichtigt. Keine Schwierigkeiten in DESY-2 erwartet

16 Zuverlässigkeitsma nahmen der Injektionsbeschleuniger: DESY-2 Allgemein (für erhöhte Zuverlässigkeit und Sicherheit): Neue Suchprozedur (2000) Neue Graphik für Mitteilung von hot spots (2000) Kontinuierliche Brandschutzma nahmen Entfernung von Brandschutzlast ( ) Beschichtung von HV Kabeln, teilweise (2002) Installation eines Früherkennungssystems im SER und Ringzentrum (2003) Neuausstattung von Fluchtwegen aus dem SER (2003) Erneuerung und Erweiterung des Personeninterlocksystems ( ) Erneuerung der Notbeleuchtung (2003) Nächste Folien - Zuverlässigkeitsma nahmen bei den verschiedenen Subsystemen

17 Zuverlässigkeitsma nahmen der Injektionsbeschleuniger: DESY-2 (1) Infrastruktur: Stromversorgung (MKK) geplante Ma nahmen: Erneuerung der 10 kV-Schaltanlage HSTA Erneuerung der 400/230 V V-Versorgung in der Kraftstation Geb. 16 Erneuerung des 10 kV/400 V-Trafos für die Kraftstation Infrastruktur: Wasseranlagen (MKK) geplante Ma nahmen: komplette Erneuerung Zusammenfassung aller Synchrotron-relevanten Kühlkreise Abkoppeln der Hallen 1, 2, 2a Geschlossenes Rohrsystem mit Ausgleichsbehältern Geschlossene (umweltfreundliche und effiziente) Hybridtrockenkühler Wichtige Implikationen: keine weitere Ünterstützung von DESY-3 (Kapazität) Erhöhung der stabilen Vorlauftemperatur auf 30 Grad Celsius Stabilität der Wassertemperatur von +/- 1 Grad Celsius J.-P. Jensen B. Conrad

18 Kühlwasserversorgung für: DESY-2 Magnete; Cavities, Absorber, Septa; Senderanlage Linac-2, PIA, Strahlwege, Geb. 20, 20a, 20c, 22a Hallen 1, 2, 2a Kaltwasserversorgung für Gebäude: 3, 5, 6, 10, 11, 13, 16, 20, 22a, 42a, 42b, Halle 1 Zuverlä igkeitmassnahmen der Injektionsbeschleuniger: DESY-2 (2) B. Conrad

19 Zuverlässigkeitsma nahmen der Injektionsbeschleuniger: DESY-2 (3) Magnete und Netzgeräte (MKK) schon getroffene Ma nahmen: Tausch des Wicklungspaketes der Summendrossel (2000) Modifikation der Sextupol-NG für höheren Strom (2001) Kritische Suche für Asbest-enthaltende Elemente (2003) Verbesserte Frequenz-Regulation der Sextupolkreisen (2003) Erneuerung der Kurzschliesser der Quadrupol- und Sextupolkreise (2003) Überholung des Trafokessels und des Ölkühlsystems (2004) geplante Ma nahmen: Erneuerung aller Magnetnetzgeräte: getaktete Pulsumrichter statt Zycloconverter mit Steinmetzschaltung und Thyristorbrückenschaltung Ersatz der analogen Regler durch moderne Regelstrukturen Abschaffung der Steinmetzschaltung für den Dipolkreis Ersatz der Nina-Magnete als Resonanzdrosseln durch Trockendrosseln Senderstromversorgung (MKK) Minimallösung: Modulator- und Hochspannungskondensatorräume erneuern Brandschutz der HV-Räume und der Senderhalle verbessern Thyristorsteller und Regelung des HV-Netzgerätes erneuern Alternativlösung (Backup-System): komplett neues HF-System an einem neuen Standort errichten altes HF-System muss trotzdem mittelfristig erneuert werden J.-P. Jensen

20 Zuverlässigkeitsma nahmen der Injektionsbeschleuniger: DESY-2 (4) HF-Systeme (2+1 komplette Klystrons und Modulatoren) schon getroffene Erneuerung der Modulatoren (2001) Ma nahmen: Installation von Brandschutzmeldern fuer die Modulatoren (2002) Ersatz aller (Glykol-enthaltenden) Absorber (2003) Neue Amplitudenkontrolle (2003) geplante Ma nahmen: Modernisierung der Cavity Kontrollen Mögliche Entwicklung einer zweiten Senderanlage

21 alter Sender in Geb. 16 mögl. neuer Sender in Halle 1 neuer Sender alter Sender HF- Nennleistung 1200 kW peak 600 kW ave 950 kW peak 250 kW ave Sender- Nennspannung 65 kV50 kV Sender- Nennstrom: 34 A peak 18 A ave 48 A peak 17 A ave M. Ebert

22 Zuverlässigkeitsma nahmen der Injektionsbeschleuniger: DESY-2 Vakuum Systeme schon getroffene Ma nahmen: Ersatz diverser Vakuum Ventil Elektroniken (2000/2001) Ersatz aller Asbest-enthaltenden Vakuumpumpen (2003) Messrohraustausch in DESY-2 sowie in den L- und E-Wegen (2004) geplante Ma nahmen: Erstellung einiger Ersatzkammern (2004+) Trennung der DESY2/3 Vakuumsysteme die DESY-2 Vakuumkammer Beispiel Kreuzkammer Diagnostik geplante Ma nahmen: Effizienzanzeige zwischen Ende des L-Weges und DESY-2 DESY-2 Nebenbunchmonitor?

23 VorteilNachteil Bei Hochspannungs- überschlägen kein Schaden am Thyratron Arbeitspunktverschiebung durch Alterung größer Jitter Abhilfe Regelung von Reservoir- und Heizungsspannung (sehr aufwendig) Hohe Betriebskosten VorteilNachteil Leistungsfähige Schalter mit Pulsspannung im kV Bereich und mit Pulströmen im kA Bereich Bei Hochspannungs- überschlägen Schalter defekt Einfache Ansteuerung 3-10V TTL Triggersignal 5V Versorgungsspannung Jitter 1ns bei t p < 10μs Betriebskosten 1/3 vom Thyratron-Pulser Thyratron-Pulser Halbleiterschalter-Pulser geplante Ma nahmen: alle In.- und Ejektions-Pulser auf Halbleiter (Behlke Schalter, Thyristor Technologie) umgestellt Heizungs- Reservoirtrafo Hochspannungs- trenntrafo Thyratron Cx1157 Trigger Einheit Kondensator Einstellung Heizungs- Reservoirspannung 5V Spannungsversorgung Behlke Schalter Schutzbeschaltung Kondensator Zuverlässigkeitsma nahmen der Injektionsbeschleuniger: DESY-2 F. Obier gepulste Elemente

24 Zuverlässigkeitsma nahmen der Injektionsbeschleuniger: DESY-2 Kontrollsystem [ MST / MSK] schon getroffene Ma nahmen: Erneuerung auf PC-basiertes Kontrolsystem (1999) Erneuerung der Zyklusgeneratoransteuerung (1999) Implementation des Spar-Modes (2001/2002) Erneuerung der Triggergeneratoransteuerung (2002) Umstellung auf NT (2003) Ermöglichung der Top-Up Mode Tests (2003+) Erneuerung der AM-Generatorsteuerung inklusiv Lern-Mode (2004) Anpassungen für Betrieb mit Elektronen (2004) geplante Ma nahmen: Zentrales Error-Logging System (2004+) Sammlung von Betriebsdaten und Darstellung der Betriebsstatistik (2004+)

25 V) Top-Up Mode Tests Tests #1 und #2 ( / ): Von Hand-getriggerte Transfers bei konstantem PIA Strom nach spezifizierten Bunchen (prüft Timing, Synchronisation, benötigte pre-triggers für die gepulsten Elemente; bzw. die Kicker und Septa)

26 Tests #3 ( ): Automatisierte Transfers mit konstantem Strom zu den Bunchen, die mehr Strom benötigen Erreichte Stabilität des Gesamtstroms (bei diesem ersten Versuch): ~ 0.5% (Vergleich: 0.1% Ziel), weitere Tests werden folgen inklusiv der automatisierten Wahl des gewünschten Bunchstroms in DORIS sowie in PETRA

27 Anerkennung der Kollegen, die zur Erstellung dieses Vortrags direkt beigetragen haben: MIN M. Nagl, F. Obier, M. Rakutt, H. Weise DESY J. Haar, J. Hameister, J. Maidment MKK B. Conrad, J.-P. Jensen, W. Merz MVA M. Seidel MVP J.-P. Wedekind MHF-E M. Ebert MDI G. Kube, R. Neumann MST R. Bacher, D. Ramert MSK U. Hurdelbrink und an den vielen anderen Kollegen die mitwirken … Herzlichen Dank!

28 Anzahl der zeitweisen Zugänge Dauer der zeitweisen Zugänge LINAC-2/PIA DESY-2/3 PETRA-2 Betrieb Wartungstag


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