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

I) Spezifikationen der Vorbeschleuniger für PETRA-3 (Balewski, Brefeld) niedriger als die jetzige 7 GeV DESY-2 Ejektionsenergie Strahlenergie bei Injektion, Einj 6 GeV theoretische Emittanz DESY-2 ohne “Frequenzmodulation” Emittanz bei Injektion, inj ≤ 350 nm-rad (mit DE/E = 10-3) Injektionsfrequenz, finj 6.25 Hz mit Nppb=1010 (erster Füllung) typische jetzige Teilchenzahl pro Bunch entspricht der jetzigen 160 ms PIA Speicherzeit (DORIS-Mode) “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 PETRA-3 Kriterien: Toleranz der Variationen im Gesamtstrom bei PETRA-3: 0.1 % Toleranz der Variationen des einzelnen Bunches bei PETRA-3: 30 % zusätzlich muss mit Umschaltungen zwischen e+ und e- gerechnet werden

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

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

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 Lebens- Gesamt- Anzahl Teilchenzahl Injektions- Teilchen per dauer strom von per Bunch periode injiziertem (Stunden) (mA) Bunchen in PETRA (s) Bunch 100 960 5.0*109 27.0 1.5*109 24 200 1920 5.0*109 13.5 1.5*109 2 100 40 12.0*1010 7.2 4.8*109 1 200 40 24.0*1010 3.6 9.6*109 Vergleich: ~ 8 St  3600 s/St = 2.9104 s im jetzigen DORIS/HERA Betrieb Primäre Auswirkung der PETRA-3 Spezifikation für die Vorbeschleuniger: erhöhte Zuverlässigkeit bei der Kanone, LINAC-2, PIA, und DESY-2

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): NzZ tzZ (kein WT) <tzZ> (kein WT) t zwischen tzZ/T [Minuten] [Minuten] zZ [Tagen] [%] (kein WT) LINAC-2/PIA 94 1198 13.2 2.4 0.4 DESY2/3 39 894 22.9 5.8 0.3 PETRA-2 90 2374 25.8 2.5 0.7 22 ----- 112 zZ = zeitweiser Zugang WT = Wartungstag T = Betriebszeit (ohne WT)

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

Zuverlässigkeitsmanahmen der Injektionsbeschleuniger: Kanone / Injektor Überblick der Kanone 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 des Injektors Kanone Chopper Kollimator Prebuncher Kollimator schon getroffene Manahmen: neues Vakuumsystem (für zügigen Austausch der Kathode) neuer Chopper und Prebuncher neue Optik erster Beschleunigungsabschnitt

Zuverlässigkeitsmanahmen der Injektionsbeschleuniger: der e+ Konverter Überblick des E+-Konverters Wasserkühlung 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 Risiko: Im Fall eines Fehlers (z.B. Wasser- oder Vakuumleck) ~4 Wochen Abkühlzeit 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 Antriebsmotor

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)

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

Zuverlässigkeitsmanahmen der Injektionsbeschleuniger: PIA schon getroffene Manahmen: Bau und Inbetriebnahme eines komplett neuen 125 MHz-Cavity-Systems (2004) geplante Manahmen: Bau einer Reserve-Endstufe für 125 MHz System 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

Überblick: DESY-2 (MDE) PIA finj = 50 Hz E = 450 MeV Nppb = (1.5-20)109 DORIS finj = 6.25 Hz E = 4.5 GeV Nppb = 5109 PETRA-2 finj = 3.125 Hz E = 7 GeV Nppb = 15109 PETRA-3 finj = 6.25 Hz E = 6 GeV Nppb = (1.5-10)109

Injektionsfrequenz, erste Füllung: frep = 6.25 Hz mit Nppb=1010 frep = 6.25 Hz, Nppb = 5 · 109, typisch mit e+ Nppb = 8 · 109, erreicht mit e+ Nppb > 1010, 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

Ejizierte Emittanz: ≤ 350 nm-rad with Dp/p = 10-3 Mit der jetzigen Optik: E (GeV) Δf (kHz) ε (π nm-rad), Design Dp/p (10-3) 68 860 1.1 7 0 440 1.2 6 0 325 1.0 (Δf = die jetzige Frequenzmodulation (bzw Offset), die für Beam-Loading Kompensation mit Nppb>1.5·1010 benötigt wird) Keine Schwierigkeiten in DESY-2 erwartet Zusätzliche Manahmen (wie Optikänderung oder HF Manipulation) werden untersucht. Solche potentiellen Verbesserungen sind nicht im PETRA-3 Design berücksichtigt.

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 (2000-2004+) 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 (2003-2005) Erneuerung der Notbeleuchtung (2003) Nächste Folien - Zuverlässigkeitsmanahmen bei den verschiedenen Subsystemen

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 J.-P. Jensen 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 B. Conrad

Zuverläigkeitmassnahmen der Injektionsbeschleuniger: DESY-2 (2) 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 B. Conrad

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

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

mögl. neuer Sender in Halle 1 alter Sender HF-Nennleistung 1200 kWpeak 600 kWave 950 kWpeak 250 kWave Sender-Nennspannung 65 kV 50 kV Sender-Nennstrom: 34 Apeak 18 Aave 48 Apeak 17 Aave mögl. neuer Sender in Halle 1 „alter“ Sender in Geb. 16 M. Ebert

Zuverlässigkeitsmanahmen der Injektionsbeschleuniger: DESY-2 Vakuum Systeme die DESY-2 Vakuumkammer 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) Beispiel Kreuzkammer geplante Manahmen: Erstellung einiger Ersatzkammern (2004+) Trennung der DESY2/3 Vakuumsysteme Diagnostik geplante Manahmen: Effizienzanzeige zwischen Ende des L-Weges und DESY-2 DESY-2 Nebenbunchmonitor?

Zuverlässigkeitsmanahmen der Injektionsbeschleuniger: DESY-2 gepulste Elemente Thyratron-Pulser Halbleiterschalter-Pulser Vorteil Nachteil Bei Hochspannungs-überschlägen → kein Schaden am Thyratron Arbeitspunktverschiebung durch Alterung → größer Jitter → Abhilfe Regelung von Reservoir- und Heizungsspannung (sehr aufwendig) Hohe Betriebskosten Vorteil Nachteil 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 tp < 10μs Betriebskosten 1/3 vom Thyratron-Pulser Kondensator Thyratron Cx1157 Behlke Schalter Trigger Einheit Schutzbeschaltung Einstellung Heizungs- Reservoirspannung Kondensator Heizungs- Reservoirtrafo Hochspannungs- trenntrafo 5V Spannungsversorgung geplante Manahmen: alle In.- und Ejektions-Pulser auf Halbleiter (Behlke Schalter, Thyristor Technologie) umgestellt F. Obier

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+)

V) Top-Up Mode Tests Tests #1 und #2 (23.10.03 / 30.10.03): 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)

Erreichte Stabilität des Gesamtstroms (bei diesem ersten Versuch): Tests #3 (6.11.03): 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

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!

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