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Vermeidung von unkontrollierten Protonen-Strahlverlusten in HERA Im November 2003 gab es unkontrollierte Strahlverluste in Hera-p durch den Ausfall kritischer.

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Präsentation zum Thema: "Vermeidung von unkontrollierten Protonen-Strahlverlusten in HERA Im November 2003 gab es unkontrollierte Strahlverluste in Hera-p durch den Ausfall kritischer."—  Präsentation transkript:

1 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 2004Matthias Werner

2 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. t 0 X oder Y Netzteil- Ausfall Erste Verluste Total- Verlust Aper- tur lang kurz

3 Beam Loss Monitore (BLMs) Koin- zidenz Hera-Beamline Zähler Einstellbare Schwelle 1/30 oder 1/4 Alarm Alarm-loop ca. 240 Stück Post-mortem- Recorder

4 BLM-Alarm Vorteil: Reagiert bereits bei kleinen Verlusten Nachteil: Reaktions-Zeit > 5ms (Quench-Protection) Verbesserungs-Option: Reaktions-Zeit verkürzen durch neue Elektronik

5 ACCT-Alarm: Blockbild Amp. Beamline Toroid Base- Line- Recon- struc- tion Digital- Filter mit Rechteck- Stoß- Antwort A/D Kom- para- tor Dump Tracking Reference Tief- Pass- Filter Bunchstrom- Messung

6 Digital-Filter des ACCT-Alarms t 1 Hera-Umlauf = 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

7 ACCT-Alarm Vorteil: 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

8 DCCT-Alarm: Prinzip DCCT- Elek- tronik (Bergoz) Beamline Toroid Dump Schwelle (Zur Zeit nicht aktiv) Butterworth- Tiefpass 4-ter Ordnung Bandsperre 47 kHz (Hera-Umlauf) Bandsperre gegen DCCT-Noise Komparator Hochpass 1-ter Ordnung fg=5Hz DC-Strom- Messung

9 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

10 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

11 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 ms Von MKK implementiert

12 Interner Power-Supply-Alarm Vorteile: Frühester Alarm Keine kritischen Schwellen Nachteil: Reagiert nicht rechtzeitig bei Regler-Ausfall

13 Magnetstrom-Alarm Eine Kollaborations-Projekt zwischen MKK und MDI MKK- Expertise MDI- Expertise Magnetstrom-Alarm + =

14 Ideen für Dump-Kriterien beim Magnetstrom-Alarm (Stand Nov03) Schwelle für Magnet-Spannung! Schwelle für Magnet-Strom! Kombination aus Magnet-Spannung und Magnet-Strom! So schnell wie möglich! Magnetfeld in der Strahl-Kammer ist entscheidend!

15 Einige Magnet-Eigenschaften Sättigung, Hysterese Wirbelströme Zeitkonstante ( 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

16 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)

17 Welches Signal als Dump-Kriterium verwenden? Magnet- Spannung? t u Magnet- Strom? t i DCCT Spannungs- Einbrüche Stufen- Trafo Magnetfeld- Simulation! t H U H 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

18 Magnetfeld-Schätz-Filter Erste Realisierung: Tiefpass 1.Ordnung mit Zeitkonstante des Magneten: R C 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.

19 Magnetstrom-Alarm: Signalfluss (vereinfacht) HV- Box U H Alarm Dump BKR Vor- Alarm BKR Min/Max- Speicher Kurzzeit- Recorder Langzeit- Recorder Digitale Signal- Verarbeitung Magnet- Spannung Magnet- Strom Schwellen DCC T A/D Komp. Magnetfeld- Schätz-Filter Hochpass 1.Ordnung Änderungen erkennen OR-Gatter = Monitor-Buchse Komp. D/A Digital-Interface LEDs, Schalter, Taster Kursiv = Option d d d = Differenz-Eingang

20 Magnetstrom-Alarm Vorteil: 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.

21 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. 20 s. 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.

22 Magnetstrom-Alarm: Foto HV-Box hier nicht gezeigt.

23 Alte / neue Alarme Bis November 2003 vorhanden: BLMs (Delay > 5ms) Interne Power-Supply-Alarme (Delay > 5ms) Neue / verbesserte aktive Alarme: Eingebaut: ACCT-Alarm Schneller gemacht: Netzteil-Alarme (Delay < 100 s), ALIs, Dump Entwickelt: Magnetstrom-Alarm Weitere Möglichkeiten (wenn notwendig): BLM-Auswertung schneller machen DCCT-Alarm aktivieren BPM-Alarme aktivieren

24 Weitere getroffene Maßnahmen Erhöhung der Zuverlässigkeit der Magnetstromversorgung: Vortrag von W. Kook

25 Verlust-Alarm-Topologie (Auszug) ALIs Alarmloop-Zentrale Alarmloop DUMP BLMs + BPMs Interne Power- Supply- Alarme Galv. Trenn. schneller gemacht ACCT-Alarm DCCT-Alarm Alarm-Loop- Interface Magnetstrom- Alarm

26 Timing der zur Zeit verfügbaren Alarme bei Ausfall eines kritischen Magneten t 0 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

27 Die Zukunft wird zeigen, ob weitere Maßnahmen zur Vermeidung unkontrollierter Strahlverluste in Hera-p erforderlich sind.


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