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Learn how to avoid critical proton beam losses and radiation exposure, with advanced detection and response systems for optimal safety in HERA facility. Explore the mechanisms and improvement options for efficient beam loss management.
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Vermeidung von unkontrollierten Protonen-Strahlverlusten in HERA Grömitz 2004 Matthias Werner 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.
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. Erste Verluste Total- Verlust Netzteil- Ausfall X oder Y Aper-tur 0 t lang kurz
Beam Loss Monitore (BLMs) ca. 240 Stück 1/30 oder 1/4 Alarm Einstellbare Schwelle Koin-zidenz Zähler Post-mortem-Recorder Hera-Beamline Alarm-loop
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 Bunchstrom-Messung Tracking Reference Dump Amp. A/D Base-Line-Recon-struc-tion Tief-Pass-Filter Digital-Filter mit Rechteck-Stoß-Antwort Kom-para-tor Toroid Beamline
Immer gleiches Ergebnis Verschieden positionierte Integrations-Intervalle Digital-Filter des ACCT-Alarms • 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. 1 Hera-Umlauf = 21.12 s Bunch-Ladung t
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
DCCT-Alarm: Prinzip (Zur Zeit nicht aktiv) DC-Strom-Messung Bandsperre 47 kHz (Hera-Umlauf) Hochpass 1-ter Ordnung fg=5Hz Schwelle DCCT-Elek-tronik (Bergoz) Dump Butterworth- Tiefpass 4-ter Ordnung Toroid Bandsperre gegen DCCT-Noise Komparator Beamline
BPM-Alarm: Prinzip 1/4 Alarm X-Pos. A/D Digitaler Schwellen-Vergleicher Hybrid BPM A/D Y-Pos. Hera-Beam-Line Berechnung der Positionen aus den Platten-Werten in Analog-Technik Alarm-Loop
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
Nachher: Elektronik verzögert < 0.1 ms Delay ‹ 0.1 ms Interner Power-Supply-Alarm Vorher: SPS verzögert > 5 ms Delay › 5 ms Alarm! Alarm 1 Alarm 2 SPS Ali Alarm 3 ………. Alarm- Loop Von 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 Magnetstrom-Alarm MDI-Expertise + =
Ideen für Dump-Kriterien beim Magnetstrom-Alarm (Stand Nov’03) Schwelle für Magnet-Strom! Schwelle für Magnet-Spannung! So schnell wie möglich! Kombination aus Magnet-Spannung und Magnet-Strom! Magnetfeld in der Strahl-Kammer ist entscheidend!
Einige Magnet-Eigenschaften Zeitkonstante (0.18 .. 1.1 s) Sättigung, Hysterese B U(t): I I(t): Wirbelströme U(t): I(t): Feld-Änderung ist wesentlich geringer als Strom-Änderung (bis ca. Faktor 4) B(t): B/B < I/I
Abfall des Magnetfeldes bei Fehler Netzgerät fällt aus Schlimmster Fall: Plötzliche Unterbrechung einer Magnetstrom-Zuleitung: sehr schneller Abfall des Magnetfeldes (unwahrscheinlich) U(t): I(t): Schon besser: Kurzschluss der Magnetstrom-Zuleitungen: Magnetfeld-Abfall mit (Magnet) = L(Magnet) / R(Magnet)(auch unwahrscheinlich) U(t): I(t): Durch Magnetstromalarm abgedeckt (je nach Einstellung) Gut beherrschbar: Ausfall eines Netzgerätes oder Regelungs-Fehler: Magnetfeld-Abfall langsamer als mit (Magnet) wegen Ripple-Filter (wahrscheinlichster Fall) U(t): I(t):
Welches Signal als Dump-Kriterium verwenden? Magnet-Strom? i spike DCCT Einstreuungen in das DCCT-System und Störungen in der Halle würdenFehlalarme beim Schalten von Netzteilen bewirken. t Magnetfeld ist bei realen Magneten nicht proportional zum Magnetstrom u spike Stufen- Trafo Magnet-Spannung? Spannungs-Einbrüche t Kurze aber hohe Spannungs-Spitzen würden unnötige Dumps auslösen Magnetfeld-Simulation! H UH Schätz-Filter Entscheidendes Kriterium, erste Versuche erfolgreich ! t
Magnetfeld-Schätz-Filter Erste Realisierung: Tiefpass 1.Ordnung mit Zeitkonstante des Magneten: Schätz-Filter Magnet: Zeitkonstante M = L/R (für kleine Aussteuerung) Als Zeitkonstante für das Schätz-Filter wurde zunächst F = M gewählt. R C Zeitkonstante F = R*C Tests und evtl. dynamische Magnetfeld-Messungen müssen zeigen, ob Modifikationen notwendig sind.
Komp. Schwellen d d d Magnetstrom-Alarm: Signalfluss (vereinfacht) Kursiv = Option LEDs, Schalter, Taster = Monitor-Buchse Digital-Interface D/A = Differenz-Eingang Magnet-Spannung HV-Box Min/Max-Speicher Kurzzeit-Recorder A/D DCCT Digitale Signal-Verarbeitung Langzeit-Recorder Magnet-Strom Alarm Dump BKR UH Komp. Hochpass 1.Ordnung Änderungen erkennen Vor-Alarm BKR Magnetfeld- Schätz-Filter OR-Gatter
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.
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: Foto HV-Box hier nicht gezeigt.
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 < 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) Magnetstrom-Alarm ALIs ACCT-Alarm DCCT-Alarm DUMP Interne Power-Supply-Alarme Galv. Trenn. Alarmloop-Zentrale ALIs Alarmloop ALIs schneller gemacht ALIs BLMs + BPMs “Alarm-Loop- Interface”
Timing der zur Zeit verfügbaren Alarme bei Ausfall eines kritischen Magneten Netzteil- Ausfall Total- Verlust X oder Y Aper-tur 0 t Leider in diesem Fall zu spät Interner Power-Supply-Alarm Magnet-strom-Alarm ACCT-Alarm BLM-Alarm
Die Zukunft wird zeigen, ob weitere Maßnahmen zur Vermeidung unkontrollierter Strahlverluste in Hera-p erforderlich sind.