Ein „Machine Protection System“ für den LHC V.Kain CERN-AB-OP

1. Ein „Machine Protection System“ für den LHCV.Kain CERN-AB-OP • Inhalt • LHC Parameter • Wieso „Machine Protection“? • Typische Ausfallszenarien • Schutzsysteme • Performance-Evaluierung der Schutzsysteme • Zusammenfassung Verena Kain, CERN-AB-OP

2. Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN • Umfang: 26.7 km • (LEP Tunnel) • Injektionsenergie: 450 GeV • Topenergie: 7 TeV • 2 konter-rotierende • Strahlen (beam 1, beam 2) • Protonen-Operation: • 2808 Teilchenbunche • pro Strahl • 1.15 x 1011 p+ pro Bunch • ~ 3 x 1014 p+ pro Strahl ~ 360 MJ pro Strahl gespeicherte Energie (ausreichend, um 500 kg Cu zu schmelzen) Verena Kain, CERN-AB-OP

3. Wieso Machine Protection? • Der Protonenimpuls • ist einen Faktor 7 über • anderen Beschleunigern • Die gespeicherte Energie • einen Faktor 100 • Die transversale Energie- • dichte einen Faktor 1000 Ausserdem: Supraleitende Magneten (8.3 T) werden benötigt, um den Strahl auf der Umlaufbahn zu halten. Strahlverlust von 10-8 – 10-7 des Strahles @7 TeV Quench Verena Kain, CERN-AB-OP

4. 10 cm ~25cm long hole in QTRF chamber Extraction septum (MSE) trip during high intensity extraction, Oct 2004 Machine Protection bei Injektion • 2.4 MJ in 450 GeV injizierten Strahl (3.2x1013 p+) • Schadenslimit bei ~ 100 J/cm3 ~2x1012p+, ~5 % eines injizierten Batch • Kleine Apertur in LHC und Transfer Linien bei 450 GeV (~ 7.5 s) (s ~ 0.5 mm) Verena Kain, CERN-AB-OP

5. Typische AusfallszenarienStörfälle mit Magneten Supraleitende Magnete • Quench von supraleitenden Magneten: Stromabfall Gaußisch, Zeitkonstante ~ 200 ms Quenche sind wahrscheinlicher bei 7 TeV, weil weniger Toleranz bei 7 TeV. Normalleitende Magnete • Ausfall eines Power Converter (kurze Zeit Konstante für den exponentiellen Stromabfall – schnelle Orbit Degradierung und andere Effekte auf den Strahl) • Schnellster Mechanismus führt zur Zerstörung der Kollimatoren innerhalb von 30 Turns: die schnellsten Magnet-Quenche sind um einen Faktor 2 langsamer. Kicker Magnete • Unsynchronisierte Ablenkung des Strahls oder Ablenkung mit falschem Winkel durch Dipolmagnete mit schnell Feldanstieg (Kicker) kann zu Strahlverlust in weniger als einem Turn (~ 89 ms) führen.→ Injektion, Extraktion

6. Viele Mechanismen identifiziert, die zu Strahlverlust führen • Strahlverlust kann zu großen Schaden führen • … mit langen Auszeiten • …verbunden mit großen Extrakosten (ein Hauptdipolmagnet kostet ~ 1 MCHF) • Eines der wichtigsten Systeme im LHC ist das Machine Protection System (Beschleunigerschutzsystem gegen den eigenen Strahl) Verena Kain, CERN-AB-OP

7. Machine Protection Strategie Aktiv Passiv: Kollimatoren... 1.) Vermeiden • Wichtigste Strategie • Konzepte zum Vermeiden von gefährlichen Situationen • Beispiele: beam presence flag, safe beam flag 2.) Schutz - aktiver und passiver Schutz Courtesy B. Goddard

8. Vermeiden Beispiele • „Safe Beam Intensity“ (SBI):Die nominelle injizierte Strahlintensität ist über dem Beschädigungslimit von Hardware. Um LHC zu testen usw. braucht man SBI: ca. 10 nominelle Bunche. • „Beam Presence Flag“: • Vor erster Injektion in den LHC: software check aller Parameter – nicht failsafe • „Probing of the LHC“: mit SBI. • Nominelle Intensität darf erst injiziert werden, wenn garantiert werden kann, dass Strahl zirkuliert. Verena Kain, CERN-AB-OP

9. Passive SchutzsystemeKollimatoren, Absorber • Kollimatoren, Absorber: Blöcke aus Material, die nahe an den Strahl gefahren werden (können). • Schützen gegen die schnellsten Strahlverlustmechanismen, die aktiv nicht mehr gestoppt werden können (Störfälle mit Kickermagneten). • Müssen selber robust genug sein, um die nominelle Strahlintensität auszuhalten→ lange Graphit Kollimatoren (z.B.: 6 m langer Absorber gegen Extraktionskicker Fehler). • Diese Kollimatoren sind zum Teil „transparent“. → Energiedeposition in umliegenden Beschleunigerkomponenten. → Masken. DT > 100 °C Maske Magnet Kollimator Strahlrichtung

10. Aktives Schutzsystem Überwachung • Strahlparameter • Beam Loss Monitore, Beam Position Monitore, Wire Scanners,… • Hardware-Parameter • Magnetstromüberwachung, Postionsüberwachung von Kollimatorbacken,... • Das Herz des aktiven Schutzsystems ist das Interlockingsystem Verena Kain, CERN-AB-OP

11. BIS Interlockingsystem (1) • Prinzip des „Beam Interlocking Systems“ (BIS): • „Alle“ Überwachungssysteme sind User Systeme des BIS und geben Signal (user permits) .true. oder .false. • BIS ist AND-gate. Nur wenn alle user permits vorhanden → beam permit. • Ohne „beam permit“: sofort triggern des Exktraktionskickers → beam dump. Courtesy B. Todd Verena Kain, CERN-AB-OP

12. Interlockingsystem (2) Beam Dump Beam-1andBeam-2 4 faseroptische Kanäle von Punkt (IP) 6 1 im Uhrzeigersinn & 1 gegen den Uhrsinn für jeden Strahl • 10MHz Rechtecksignal generiert am IP 6 • Jeder Controller kann Signal unterbrechen • Jeder Controller kann Signal überwachen Wenn eines der vier 10MHz Signale am Punkt 6 fehlt, BEAM DUMP! Beam Interlock Controllers (BIC) 16 BICs - Zwei pro IP Bis zu 20User Systeme pro BIC 6 x Beam-1 8 x Both-Beam 6 x Beam-2 Courtesy B. Todd Verena Kain, CERN-AB-OP

13. Extraction Transfer Performance-Evaluierung Simulationen • Bis jetzt nur numerische Simulationen zur Überprüfung der Performance der Schutzsysteme für den Injektionsprozesses (= SPS-Extraktion, Transfer, LHC-Injektion) erfolgreich durchgeführt. • Studiert Ausfallszenarios mit Reaktion der Schutzsysteme, basierend auf realistischen Annahmen für Maschinenzustände. • Resultat: Die Simulationen haben Schwachstellen aufgezeigt. Mit den Änderungen kann garantiert werden, dass der LHC gegen Injektionsfehler adequat geschützt ist. Injection SPS LHC beam 1 Resultat für Extraktionseptum

14. Zusammenfassung • Mit den geplanten Energien und Intensitäten der LHC-Strahlen wird ein neues Regime betreten, wo Schutz der Maschine gegen den eigenen Strahl von essentieller Bedeutung ist. • Der LHC wird mit einem ausgeklügelten „Machine Protection System“ ausgestattet sein, bestehend aus: • Vermeidungsstratgien und –Konzepten • Aktiven Schutzsystemen: Überwachung und Interlocking • Passiven Schutzsystemen: Kollimatoren, Absorber • Simulationen werden verwendet, um die benötigten Schutzsysteme zu definieren und die Performance zu evaluieren. • Machine Protection ist eines der Hauptthemen in der gesamten operationellen Planung des LHC. • Jeder Schritt im „Beam Comissioning“ und auch später bei nomineller Operation wird nach „machine protection“-Gesichtspunkten abgewogen werden müssen. Verena Kain, CERN-AB-OP

15. Referenzen [1] O. Brüning, P. Collier, P. Lebrun, S. Myers, R. Ostojic, J. Poole, „LHC Design Report volume I: the LHC Main Ring“, CERN-2004-003-V1, CERN, Geneva, Switzerland, 2004. [2] R. Schmidt et al., „Beam Loss Scenarios and Strategies for Machine Protection at teh LHC“, LHC Project Report 665, CERN, Geneva, Switzerland, 2003. [3] R. Schmidt et al., „Machine Protection System(s) – Overview“, Proc. Chamonix XIV, CERN, Geneva, Switzerland, 2005. [4] V. Kain et al., „Equipment Failures and Beam Losses in the LHC“, Proc. EPAC 2002, Paris, France. [5] R. Assmann et al., „Designing and Building a Collimation System for the High Intensity LHC Beam“, Proc. PAC 2003, Portland, Oregon, USA. [6] V. Kain et al., „Material Damage Test with 450 GeV LHC-Type Beam“, Proc. PAC 2005, Knoxville, Tennessee, USA. [7] B. Goddard et al., „TT40 Damage during 2004 High Intensity SPS Extraction“, AB-Note-2005-014, CERN, Geneva, Switzerland, 2004. [8] R. Schmidt, J. Wenninger, „LHC Injection Scenarios“, LHC Project Note 287, CERN, Geneva, Switzerland, 2002. [9] R. Schmidt et al., „Machine Protection Issues and Strategies for the LHC“, LHC-Project-Report-784, CERN, Geneva, Switzerland, 2004. [10] R. Schmidt et al., „Beam Interlocks for LHC and SPS“, Proc. ICALEPS 2003, Gyeongju, Korea. [11] B. Goddard et al., „Secondary Masks for TCDI, TCLIB and TCDQ Collimators“, LHC-TCDI-ES-0002, CERN, Geneva, Switzerland, 2005. [12] V. Kain et al., „The Expected Performance of the LHC Injection Protection System“, Proc. EPAC 2004, Lucerne, Switzerland. [13] V. Kain, „Safe Injection into the LHC“, Proc. Chamonix XIV, CERN, Geneva, Switzerland, 2005. Verena Kain, CERN-AB-OP

16. Extraktion zum Dump: 15 m langer Absorberblock. Kann den gesamten Strahl absorbieren. Extraktion: Schutz gegen Extraktionskicker mit 3 Kollimatoren/Absorbern: TCDQ, TCSG, TCDS Hoch-Luminositätsexperiment: Schutz gegen Extraktionskicker für Tripletmagnete: 4 Kollimatoren. Schutz gegen Interaktionsdebris: 4 Kollimatoren Beam Cleaning: Teilchen mit Implus- Offset werden entfernt. 5 Kollimatoren, 4 Absorber, 1 Scraper Beam Cleaning: Teilchen mit großen Amplituden werden entfernt. 15 Kollimatoren, 5 Absorber, 2 Scraper Injektion: Schutz gegen Injektionskicker mit 3 Kollimatoren: TDI, TCLIA, TCLIB Überblick LHCDump, Kollimatoren,Absorber Verena Kain, CERN-AB-OP

17. Machine Protection bei Injektion • 2.4 MJ in 450 GeV injizierten Strahl (3.2x1013 p+) • Schadenslimit bei ~ 100 J/cm3 ~2x1012p+, ~5 % eines injizierten Batch • Kleine Apertur in LHC und Transfer Linien bei 450 GeV (~ 7.5 s) (s ~ 0.5 mm) Löcher in Cu : 450 GeV LHC p+ Strahl (vom 2004 TT40 Material Test) 8x1012p+= ¼ eines vollen Batch 6 mm 5.3x1012p+= 1/6 eines vollen Batch Verena Kain, CERN-AB-OP

18. 10 cm ~25cm long hole in QTRF chamber Extraction septum (MSE) trip during high intensity extraction, Oct 2004 Beispiel: Magnetausfall bei SPS Extraktion mit LHC-Strahl • Ausfall des Extraktionsseptum: wegen EMC vom Strahl auf Temeratur-Sensoren + Interlocking Logik Fehler • Strom im Magneten war falsch um 5.1% • Extrahierter Batch war 3.2x1013 Protonen in 7.2 ms

19. Resümee... • […]This incident triggered a series of precautions to be taken for future high intensity operation and demonstrated vividly that machine protection is a serious issue for LHC energies and intensities. High intensity commissioning must be carefully planned, preceded by formal acceptance tests of the involved machine protection equipment. Problems encountered with critical systems must be taken seriously and solved before commissioning can proceed. For high intensity commissioning, machine protection must take priority over efficiency. Verena Kain, CERN-AB-OP