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Vermeidung von unkontrollierten Protonen-Strahlverlusten in HERA
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.
Grömitz 2004 Matthias Werner
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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.
t0
X oder Y
Netzteil-Ausfall
ErsteVerluste
Total-Verlust
Aper-tur
lang kurz
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Beam Loss Monitore (BLMs)
Koin-zidenz
Hera-Beamline
ZählerEinstellbare Schwelle
1/30 oder1/4 Alarm
Alarm-loop
ca. 240 Stück
Post-mortem-Recorder
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BLM-Alarm
Vorteil:
• Reagiert bereits bei kleinen Verlusten
Nachteil:
• Reaktions-Zeit > 5ms (Quench-Protection)
Verbesserungs-Option:
• Reaktions-Zeit verkürzen durch neue Elektronik
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ACCT-Alarm: Blockbild
Amp.
Beamline
ToroidBase-Line-Recon-struc-tion
Digital-Filter mit Rechteck-Stoß-Antwort
A/D
Kom-para-tor
Dump
Tracking Reference
Tief-Pass-Filter
Bunchstrom-Messung
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Digital-Filter des ACCT-Alarms
t
1 Hera-Umlauf = 21.12 s
• 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.
Bunch-Ladung
Verschieden positionierte Integrations-Intervalle
Immer gleiches Ergebnis
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ACCT-AlarmVorteil:
• 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
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DCCT-Alarm: Prinzip
DCCT-Elek-tronik (Bergoz)
Beamline
Toroid
Dump
Schwelle
(Zur Zeit nicht aktiv)
Butterworth-Tiefpass
4-ter Ordnung
Bandsperre47 kHz
(Hera-Umlauf)
Bandsperregegen
DCCT-Noise
Komparator
Hochpass1-ter Ordnung
fg=5Hz
DC-Strom-Messung
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BPM-Alarm: Prinzip
Hera-Beam-Line
BPM Hybrid
Y-Pos.
X-Pos.
Berechnung der Positionen aus den
Platten-Werten in Analog-Technik
A/D Digitaler Schwellen-Vergleicher
1/4 Alarm
Alarm-Loop
A/D
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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
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Interner Power-Supply-Alarm
Vorher: SPS verzögert > 5 ms
SPS Ali
Alarm 1
Alarm 2
Alarm 3
……….
Alarm-Loop
Alarm!Delay › 5 ms
Nachher: Elektronik verzögert < 0.1 ms
Delay ‹ 0.1 msVon MKK implementiert
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Interner Power-Supply-Alarm
Vorteile:
• Frühester Alarm
• Keine kritischen Schwellen
Nachteil:
• Reagiert nicht rechtzeitig bei Regler-Ausfall
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Magnetstrom-Alarm
Eine Kollaborations-Projekt zwischen MKK und MDI
MKK-Expertise
MDI-Expertise
Magnetstrom-Alarm
+ =
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Ideen für Dump-Kriterien beim Magnetstrom-Alarm (Stand Nov’03)
Schwelle fürMagnet-Spannung!
Schwelle fürMagnet-Strom!
Kombination ausMagnet-Spannung
und Magnet-Strom!
So schnellwie möglich!
Magnetfeld in der Strahl-Kammer ist entscheidend!
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Einige Magnet-EigenschaftenSättigung, Hysterese
Wirbelströme
Zeitkonstante (0.18 .. 1.1 s)
U(t):
I(t):
I
B
I(t):
U(t):
B(t): Feld-Änderung ist wesentlich geringer als Strom-Änderung (bis ca. Faktor 4)
B/B < I/I
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Abfall des Magnetfeldes bei Fehler
U(t):
I(t):
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)
Gut beherrschbar: Ausfall eines Netzgerätes oder Regelungs-Fehler: Magnetfeld-Abfall langsamer als mit (Magnet) wegen Ripple-Filter (wahrscheinlichster Fall)
U(t):
I(t):
U(t):
I(t):
Netzgerät fällt aus
Durch Magnetstromalarm abgedeckt (je nach Einstellung)
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Welches Signal als Dump-Kriterium verwenden?
Magnet-Spannung?
t
u
Magnet-Strom?
t
iDCCT
Spannungs-Einbrüche
Stufen-
Trafo
Magnetfeld-Simulation!
t
HUH Schätz-Filter
Einstreuungen in das DCCT-System und Störungen in der Halle würden Fehlalarme beim Schalten von Netzteilen bewirken.
spike
Kurze aber hohe Spannungs-Spitzen würden unnötige Dumps auslösen
Entscheidendes Kriterium, erste Versuche erfolgreich !
spike
Magnetfeld ist bei realen Magneten nicht proportional zum Magnetstrom
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Magnetfeld-Schätz-Filter
Erste Realisierung: Tiefpass 1.Ordnung mit Zeitkonstante des Magneten:
RC
Zeitkonstante F = R*C
Magnet: Zeitkonstante M = L/R (für kleine Aussteuerung)
Als Zeitkonstante für das Schätz-Filter wurde zunächst F = M gewählt.
Schätz-Filter
Tests und evtl. dynamische Magnetfeld-Messungen müssen zeigen, ob Modifikationen notwendig sind.
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Magnetstrom-Alarm: Signalfluss (vereinfacht)
HV-Box
UH
Alarm Dump BKR
Vor-Alarm BKR
Min/Max-Speicher
Kurzzeit-Recorder
Langzeit-Recorder
Digitale Signal-Verarbeitung
Magnet-Spannung
Magnet-Strom
Schwellen
DCCT
A/D
Komp.
Magnetfeld-Schätz-Filter
Hochpass 1.Ordnung Änderungen
erkennen OR-Gatter
= Monitor-Buchse
Komp.
D/ADigital-Interface
LEDs, Schalter, TasterKursiv = Option
d
d
d = Differenz-Eingang
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Magnetstrom-AlarmVorteil:
• 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.
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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.
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Magnetstrom-Alarm: FotoHV-Box hier nicht gezeigt.
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Alte / neue AlarmeBis 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
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Weitere getroffene Maßnahmen
Erhöhung der Zuverlässigkeit der Magnetstromversorgung:
Vortrag von W. Kook
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Verlust-Alarm-Topologie (Auszug)
ALIs
ALIs
ALIs
ALIs
Alarmloop-Zentrale
Alarmloop
DUMP
BLMs + BPMs
Interne Power-Supply-Alarme
Galv. Trenn.
schneller gemacht
ACCT-Alarm
DCCT-Alarm
“Alarm-Loop-Interface”
Magnetstrom-Alarm
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Timing der zur Zeit verfügbaren Alarme bei Ausfall eines kritischen Magneten
t0
X oder Y
Netzteil-Ausfall
Aper-tur
BLM-Alarm
ACCT-Alarm
Interner Power-Supply-Alarm
Magnet-strom-Alarm
Total-Verlust
Leider in diesem Fall zu spät
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Die Zukunft wird zeigen, ob weitere Maßnahmen zur Vermeidung
unkontrollierter Strahlverluste in Hera-p erforderlich sind.