Vermeidung von unkontrollierten Protonen-Strahlverlusten in HERA

1. 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.

2. 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

3. 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

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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. Interner Power-Supply-Alarm Vorteile: • Frühester Alarm • Keine kritischen Schwellen Nachteil: • Reagiert nicht rechtzeitig bei Regler-Ausfall

13. Magnetstrom-Alarm Eine Kollaborations-Projekt zwischen MKK und MDI MKK-Expertise Magnetstrom-Alarm MDI-Expertise + = 

14. 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!

15. 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

16. 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): 

17. 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 UH Schätz-Filter Entscheidendes Kriterium, erste Versuche erfolgreich ! t

18. 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.

19. 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 UH Komp. Hochpass 1.Ordnung  Änderungen erkennen Vor-Alarm BKR Magnetfeld- Schätz-Filter OR-Gatter

20. 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.

21. 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.

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

23. 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

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

25. 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”

26. 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

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