Vermeidung von unkontrollierten ProtonenStrahlverlusten in HERA Grmitz 2004

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

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

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

ACCT-Alarm: Blockbild Bunchstrom. Messung Tracking Reference Amp. Toroid Beamline Dump A/D Base. Line. Reconstruction Tief. Pass. Filter Digital. Filter mit Rechteck. StoßAntwort Komparator

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 (50 Hz) zu eliminieren. • Mit Analog-Filtern nur bei extrem großem Aufwand erreichbar. 1 Hera-Umlauf = 21. 12 s Bunch. Ladung t Verschieden positionierte Integrations-Intervalle Immer gleiches Ergebnis

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 DC-Strom. Messung DCCTElektronik (Bergoz) Toroid Beamline (Zur Zeit nicht aktiv) Bandsperre 47 k. Hz (Hera-Umlauf) Hochpass 1 -ter Ordnung fg=5 Hz Schwelle Dump Butterworth. Tiefpass 4 -ter Ordnung Bandsperre gegen DCCT-Noise Komparator

BPM-Alarm: Prinzip 1/4 Alarm X-Pos. BPM A/D Hybrid A/D Digitaler Schwellen. Vergleicher 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

Interner Power-Supply-Alarm Vorher: SPS verzögert > 5 ms Nachher: Elektronik verzögert < 0. 1 ms Delay › 5 ms Alarm! Alarm 1 Alarm 2 SPS Ali Alarm 3 ………. Von MKK implementiert Delay ‹ 0. 1 ms Alarm. Loop

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 MKKExpertise Magnetstrom-Alarm MDIExpertise + =

Ideen für Dump-Kriterien beim Magnetstrom-Alarm (Stand Nov’ 03) Schwelle für Magnet-Spannung! So schnell wie möglich! Schwelle für Magnet-Strom! 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): B(t): B/B < I/I Feld-Änderung ist wesentlich geringer als Strom-Änderung (bis ca. Faktor 4)

Abfall des Magnetfeldes bei Fehler Netzgerät fällt aus 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) 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 DCCT spike Einstreuungen in das DCCT-System und t Störungen in der Halle würden Fehlalarme Magnetfeld ist bei realen Magneten beim Schalten von Netzteilen bewirken. nicht proportional zum Magnetstrom Magnet. Spannung? Spannungs. Einbrüche Stufen- u Trafo t Kurze aber hohe Spannungs-Spitzen würden unnötige Dumps auslösen Magnetfeld. Simulation! Entscheidendes Kriterium, erste Versuche erfolgreich ! U H Schätz. Filter spike H t

Magnetfeld-Schätz-Filter Erste Realisierung: Tiefpass 1. Ordnung mit Zeitkonstante des Magneten: Schätz-Filter Magnet: Zeitkonstante M = L/R (für kleine Aussteuerung) R Als Zeitkonstante für das Schätz -Filter wurde zunächst F = M gewählt. Zeitkonstante F = R*C C Tests und evtl. dynamische Magnetfeld-Messungen müssen zeigen, ob Modifikationen notwendig sind.

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

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 1 E-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.

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

Alte / neue Alarme Bis November 2003 vorhanden: • BLMs (Delay > 5 ms) • Interne Power-Supply-Alarme (Delay > 5 ms) 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

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

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

Timing der zur Zeit verfügbaren Alarme bei Ausfall eines kritischen Magneten Netzteil. Ausfall Total. Verlust X oder Y Aper- 0 tur t Leider in diesem Fall zu spät Interner Power -Supply-Alarm Magnetstrom. Alarm ACCTAlarm BLMAlarm

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