Vermeidung von unkontrollierten Protonen-Strahlverlusten in

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
NetzteilAusfall
TotalVerlust
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-mortemRecorder
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
BunchstromMessung
Tracking Reference
Amp.
Toroid
Beamline
Dump
A/D
BaseLineReconstruction
TiefPassFilter
DigitalFilter mit
RechteckStoßAntwort
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 NetzFrequenz (50Hz) zu eliminieren.
• Mit Analog-Filtern nur bei extrem großem Aufwand erreichbar.
1 Hera-Umlauf = 21.12 s
BunchLadung
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-StromMessung
DCCTElektronik
(Bergoz)
Toroid
Beamline
(Zur Zeit nicht aktiv)
Bandsperre
47 kHz
(Hera-Umlauf)
Hochpass
1-ter Ordnung
fg=5Hz
Schwelle
Dump
ButterworthTiefpass
4-ter Ordnung
Bandsperre
gegen
DCCT-Noise
Komparator
BPM-Alarm: Prinzip
1/4 Alarm
X-Pos.
A/D
BPM
Hybrid
A/D
Digitaler
SchwellenVergleicher
Y-Pos.
HeraBeamLine
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
AlarmLoop
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)
U(t):
Sättigung, Hysterese
B
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 MagnetstromZuleitung: 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):

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?
MagnetStrom?
i
spike
DCCT
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
MagnetSpannung?
SpannungsEinbrüche
Stufen-
u
Trafo
t
Kurze aber hohe Spannungs-Spitzen würden
unnötige Dumps auslösen
MagnetfeldSimulation!
Entscheidendes Kriterium,
erste Versuche erfolgreich !
UH
SchätzFilter
spike
H
t
Magnetfeld-Schätz-Filter
Erste Realisierung: Tiefpass 1.Ordnung mit Zeitkonstante des
Magneten:
Magnet: Zeitkonstante M = L/R
(für kleine Aussteuerung)
Schätz-Filter
R
Zeitkonstante
F = R*C
C
Als Zeitkonstante für das
Schätz-Filter wurde zunächst
F = M gewählt.
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
MagnetSpannung
MagnetStrom
HVBox
d
DCC
T
d
A/D
Min/MaxSpeicher
KurzzeitRecorder
Digitale SignalVerarbeitung
LangzeitRecorder
Alarm
Dump
BKR
Schwellen
UH
MagnetfeldSchätz-Filter
Hochpass
1.Ordnung 
Änderungen
erkennen
Komp.
Komp.
OR-Gatter
VorAlarm
BKR
Magnetstrom-Alarm
Vorteil:
• Einziges System, das bei Fehlern in der MagnetstromRegelschleife 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 ProbeBetrieb + 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. 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 > 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
Weitere getroffene Maßnahmen
Erhöhung der Zuverlässigkeit der
Magnetstromversorgung:
 Vortrag von W. Kook
Verlust-Alarm-Topologie (Auszug)
MagnetstromAlarm
ALIs
ACCT-Alarm
DCCT-Alarm
Interne
PowerSupplyAlarme
DUMP
Galv.
Trenn.
Alarmloop-Zentrale
ALIs
BLMs + BPMs
Alarmloop
ALIs
schneller
gemacht
ALIs
“Alarm-LoopInterface”
Timing der zur Zeit verfügbaren Alarme bei
Ausfall eines kritischen Magneten
NetzteilAusfall
TotalVerlust
X oder Y
Aper- 0
tur
t
Leider in diesem
Fall zu spät
Interner
Power-SupplyAlarm
MagnetstromAlarm
ACCTAlarm
BLMAlarm
Die Zukunft wird zeigen, ob weitere
Maßnahmen zur Vermeidung
unkontrollierter Strahlverluste in Hera-p
erforderlich sind.