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Geplante Manahmen an den Vorbeschleunigern für den zukünftigen Betrieb
M. Minty22 Sept 2004
I) Spezifikationen der Vorbeschleuniger für PETRA-3II) “Top-Up Mode” III) Zuverlässigkeit der InjektionsbeschleunigerIV) Zuverlässigkeitmanahmen an den InjektionsbeschleunigernV) “Top-Up Mode” Tests
Toleranz der Variationen im Gesamtstrom bei PETRA-3: 0.1 %Toleranz der Variationen des einzelnen Bunches bei PETRA-3: 30 %
Injektionsfrequenz, finj 6.25 Hz mit Nppb=1010
(erster Füllung)
Strahlenergie bei Injektion, Einj 6 GeV
Emittanz bei Injektion, inj ≤ 350 nm-rad (mit E/E = 10-3)
“Top-up Mode” (wobei quasi-kontinuierlich injiziert wird, um den Gesamtstrom möglichst konstant zu halten)
Vorteile: konstanter Flux (Wechselwirkungsrate) für die Experimente erleichterte Kontrolle der (stromabhängigen) Strahllagen
I) Spezifikationen der Vorbeschleuniger für PETRA-3 (Balewski, Brefeld)
niedriger als die jetzige 7 GeVDESY-2 Ejektionsenergie
theoretische Emittanz DESY-2ohne “Frequenzmodulation”
entspricht der jetzigen 160 msPIA Speicherzeit (DORIS-Mode)
typische jetzige Teilchenzahl pro Bunch
PETRA-3 Kriterien:
zusätzlich muss mit Umschaltungen zwischen e+ und e- gerechnet werden
II) “Top-Up Mode” (1)
Top-Up im SLS, Swiss Synchrotron Light Source, (Bilder von L. Rivkin):
12 Tage (fast) kontinuierlicherBetrieb
0.3% Variationim Gesamtstrom
Top-Up in APS, Advanced Photon Source (Online Display)
“Top-Up Mode” (2)
Die Vorteile von Top-Up sind so beeindruckend, dass jeder neue Synchrotronstrahlungsbeschleuniger sich darauf verlässt
(Beschleunigerstudien)
Lebens- Gesamt- Anzahl Teilchenzahl Injektions- Teilchen per dauer strom von per Bunch periode injiziertem (Stunden) (mA) Bunchen in PETRA (s) Bunch
24 100 960 5.0*109 27.0 1.5*109
24 200 1920 5.0*109 13.5 1.5*109
2 100 40 12.0*1010 7.2 4.8*109
1 200 40 24.0*1010 3.6 9.6*109
erhöhte Zuverlässigkeit bei der Kanone, LINAC-2, PIA, und DESY-2
Spezifikation des “Top-Up Mode” (Balewski, Brefeld)
Vorgehensweise der Spezifikationen:
1) gewünschter Gesamtstrom und Teilchenzahl pro Bunch bestimmt von den Experimenten 2) die Teilchenzahl pro Bunch ergibt die erwartete Lebensdauer (von “Touschek-Scattering” bestimmt) 3) mit gewünschter Variation im Gesamtstrom (<0.1%) und Einzelbunchstrom (<30%) werden die Nachfüllperioden und die zusätzlichen Intensitäten optimiert
Primäre Auswirkung der PETRA-3 Spezifikation für die Vorbeschleuniger:
Vergleich: ~ 8 St 3600 s/St = 2.9104 s im jetzigen DORIS/HERA Betrieb
III) Zuverlässigkeit der Injektionsbeschleuniger
Die jetzige Uptime-Statistik der Vorbeschleuniger ist unübersichtlich
Im “schlimmsten” Fall sind Zugänge zum Beschleunigertunnel erforderlich. Dem Betriebsbuch 2004 entnimmt man (Notwendigkeit und Wunsch):
NzZ tzZ (kein WT) <tzZ> (kein WT) t zwischen tzZ/T [Minuten] [Minuten] zZ [Tagen] [%]LINAC-2/PIA 94 1198 13.2 2.4 0.4
DESY2/3 39 894 22.9 5.8 0.3
PETRA-2 90 2374 25.8 2.5 0.7 22 ----- 112
zZ = zeitweiser ZugangWT = WartungstagT = Betriebszeit (ohne WT)
(kein WT)
Modulatoren + Klystrons + SLEDLINAC-2
450 MeV
Überblick: Injektor, Linac-2, PIA, und L-Weg (MIN)
e- Kanone(150 keV)
e+ Target 5 Abschnitte(450 MeV, max)
5 (+2) Abschnitte (450 MeV, max)
e+/-
PIA – Akkumulator (450 MeV) L-Weg
IV) Zuverlässigkeitsmanahmen der Injektionsbeschleuniger:
Zuverlässigkeitsmanahmen der Injektionsbeschleuniger: Kanone / Injektor
Risiko: zerbrechliches Keramikstück zwischen Vakuum und Öl
geplante Manahmen:
entweder eine Erneuerung des Modulators
(wie bei den schon erneuerten Modulatoren
im LINAC) oder ein Neuaufbau
zur Zeit wird ein Vergleich zwischen demjetzigen Design und dem Trioden-Designfortgesetzt
Überblick der Kanone
Überblick des Injektors
Kanone Chopper Kollimator Prebuncher
erster Beschleunigungsabschnitt
Kollimator schon getroffene Manahmen:
neues Vakuumsystem (fürzügigen Austausch der Kathode)
neuer Chopper und Prebuncher
neue Optik
Zuverlässigkeitsmanahmen der Injektionsbeschleuniger: der e+ Konverter
Antriebsmotor
Wasserkühlung
Überblick des E+-Konverters
Risiko: Im Fall eines Fehlers (z.B. Wasser- oder Vakuumleck) ~4 Wochen Abkühlzeit
Wolfram Target: 17 mm Durchmesser,7 mm Dicke, 5 mm Loch für e- Betrieb
Solenoid: Wasser gekühlt, 1.8 T, 3500 A, 10 s, 50 Hz
geplante Manahmen:
Neuer Konversionstarget ohne Lötstellen zwischen Vakuum undWasserkühlung, mit einem fixierten(nicht beweglichen) Target inner-halb eines keramischen Zylinders,Solenoid ausserhalb des Vakuum-Systems, lokale Bleiabschirmung
Zuverlässigkeitsmanahmen der Injektionsbeschleuniger: LINAC-2 (1)
schon getroffene Manahmen: Erneuerung aller 12 Modulatoren neue Charging Power Supplies neue Verkabelung neue Kontrollen (alte PFN)
geplante Manahmen:
neue Thyratrons (mit höherer Lebensdauer) Modifikation der Kontrollen für die Filament- und Reservoirspannungen (damit die Modu- latortür nicht geöffnet werden muss)
Zuverlässigkeitsmanahmen der Injektionsbeschleuniger: LINAC-2 (2)
schon getroffene Manahmen:
alle 12 Abschnitte mit verbesserten Vakuumverhältnissen ersetzt
Zuverlässigkeitsmanahmen der Injektionsbeschleuniger: PIA
Zuverlässigkeitsmanahmen der Injektionsbeschleunigern: Transportweg PIA DESY
schon getroffene Manahmen:
schon getroffene Manahmen: Implementation einer Massage-Prozedur zwischen PIA und DESY-2
geplante Manahmen:
geplante Manahmen:
Verbesserung der zeitlichen Stabilität des Post-Linac ChoppersAufbau eines Test-Pulsers mit Behlke-Schaltern
Bau und Inbetriebnahme eines komplett neuen125 MHz-Cavity-Systems (2004)
Bau einer Reserve-Endstufe für 125 MHz System
Überblick: DESY-2 (MDE)
PIA finj = 50 Hz E = 450 MeV Nppb = (1.5-20)109
PETRA-2 finj = 3.125 Hz E = 7 GeV Nppb = 15109
PETRA-3 finj = 6.25 Hz E = 6 GeV Nppb = (1.5-10)109
DORIS finj = 6.25 Hz E = 4.5 GeV Nppb = 5109
Injektionsfrequenz, erste Füllung: frep = 6.25 Hz mit Nppb=1010
frep = 6.25 Hz, Nppb = 5 · 109, typisch mit e+ Nppb = 8 · 109, erreicht mit e+ Nppb > 1010, typisch mit e-
bei E = 4.5 GeV(DORIS-Mode)
DESY-2 Transmissionseffizienz (~80%) von Strahlenergie unabhängig - gleich für DORIS-Mode mit E = 4.5 GeV wie beim PETRA-Mode mit E = 7.0 GeV
Keine Schwierigkeiten in DESY-2 erwartet
Ejizierte Strahlenergie: E = 6.0 GeV
E = 4.5 GeV < E = 6.0 GeV < E = 7.0 GeV(DORIS-Mode) PETRA-3 (PETRA-Mode)
Keine Schwierigkeiten in DESY-2 erwartet
Ejizierte Emittanz: ≤ 350 nm-rad with p/p = 10-3
Mit der jetzigen Optik:
E (GeV) Δf (kHz) ε (π nm-rad), Design p/p (10-3)
7 68 860 1.1
7 0 440 1.2
6 0 325 1.0(Δf = die jetzige Frequenzmodulation (bzw Offset), die für
Beam-Loading Kompensation mit Nppb>1.5·1010 benötigt wird)
Zusätzliche Manahmen (wie Optikänderung oder HF Manipulation) werden untersucht. Solche potentiellen Verbesserungen sind nicht im PETRA-3 Design berücksichtigt.
Keine Schwierigkeiten in DESY-2 erwartet
Zuverlässigkeitsmanahmen der Injektionsbeschleuniger: DESY-2
Allgemein (für erhöhte Zuverlässigkeit und Sicherheit):
Neue Suchprozedur (2000)Neue Graphik für Mitteilung von “hot spots” (2000)Kontinuierliche Brandschutzmanahmen Entfernung von Brandschutzlast (2000-2004+) Beschichtung von HV Kabeln, teilweise (2002) Installation eines Früherkennungssystems im SER und Ringzentrum (2003)Neuausstattung von Fluchtwegen aus dem SER (2003)Erneuerung und Erweiterung des Personeninterlocksystems (2003-2005)Erneuerung der Notbeleuchtung (2003)
Nächste Folien - Zuverlässigkeitsmanahmen bei den verschiedenen Subsystemen
Zuverlässigkeitsmanahmen der Injektionsbeschleuniger: DESY-2 (1)
Infrastruktur: Stromversorgung (MKK)
geplante Manahmen:
Erneuerung der 10 kV-Schaltanlage HSTAErneuerung der 400/230 V V-Versorgung in der Kraftstation Geb. 16Erneuerung des 10 kV/400 V-Trafos für die Kraftstation
Infrastruktur: Wasseranlagen (MKK)
geplante Manahmen: komplette Erneuerung
Zusammenfassung aller Synchrotron-relevanten Kühlkreise Abkoppeln der Hallen 1, 2, 2a Geschlossenes Rohrsystem mit Ausgleichsbehältern Geschlossene (umweltfreundliche und effiziente) Hybridtrockenkühler
Wichtige Implikationen: keine weitere Ünterstützung von DESY-3 (Kapazität) Erhöhung der stabilen Vorlauftemperatur auf 30 Grad Celsius Stabilität der Wassertemperatur von +/- 1 Grad Celsius
J.-P. Jensen
B. Conrad
Linac II, Strahlwege20, 20a, 20c, 22a
Magnete DESYII
Absorber, Cavities im Ring
Sender, Absorber, Zirkulator in Senderhalle/keller
Hallen 1, 2, 2a
Neue Kühl- und Kaltwasser-versorgung DESY
DESY, Gebäude 1, 16, Halle 1, etc.
KühlwasserExperimente
Kühlwasser Synchrotron
Kaltwasser
30 °C 37,8 °C
30 °C
51 °C
8 °C
Kühlwasserversorgung für: DESY-2 Magnete; Cavities, Absorber, Septa; Senderanlage Linac-2, PIA, Strahlwege, Geb. 20, 20a, 20c, 22a Hallen 1, 2, 2a
Kaltwasserversorgung für Gebäude: 3, 5, 6, 10, 11, 13, 16, 20, 22a, 42a, 42b, Halle 1
Zuverläigkeitmassnahmen der Injektionsbeschleuniger: DESY-2 (2)
B. Conrad
Zuverlässigkeitsmanahmen der Injektionsbeschleuniger: DESY-2 (3)Magnete und Netzgeräte (MKK)
schon getroffene Manahmen: Tausch des Wicklungspaketes der Summendrossel (2000) Modifikation der Sextupol-NG für höheren Strom (2001) Kritische Suche für Asbest-enthaltende Elemente (2003) Verbesserte Frequenz-Regulation der Sextupolkreisen (2003) Erneuerung der Kurzschliesser der Quadrupol- und Sextupolkreise (2003) Überholung des Trafokessels und des Ölkühlsystems (2004)
geplante Manahmen:
Erneuerung aller Magnetnetzgeräte: getaktete Pulsumrichter statt Zycloconverter mit Steinmetzschaltung und Thyristorbrückenschaltung Ersatz der analogen Regler durch moderne RegelstrukturenAbschaffung der Steinmetzschaltung für den DipolkreisErsatz der Nina-Magnete als Resonanzdrosseln durch Trockendrosseln
Senderstromversorgung (MKK)
Minimallösung: Modulator- und Hochspannungskondensatorräume erneuern Brandschutz der HV-Räume und der Senderhalle verbessern Thyristorsteller und Regelung des HV-Netzgerätes erneuernAlternativlösung (Backup-System): komplett neues HF-System an einem neuen Standort errichten altes HF-System muss trotzdem mittelfristig erneuert werden
J.-P. Jensen
Zuverlässigkeitsmanahmen der Injektionsbeschleuniger: DESY-2 (4)HF-Systeme (2+1 komplette Klystrons und Modulatoren)
schon getroffene Erneuerung der Modulatoren (2001) Manahmen: Installation von Brandschutzmeldern fuer die Modulatoren (2002) Ersatz aller (Glykol-enthaltenden) Absorber (2003) Neue Amplitudenkontrolle (2003)geplante Manahmen: Modernisierung der Cavity Kontrollen
Mögliche Entwicklung einer zweiten Senderanlage
„alter“ Sender in Geb. 16
mögl. neuer Sender in Halle 1
neuer Sender
alter Sender
HF-Nennleistung
1200 kWpeak
600 kWave
950 kWpeak
250 kWave
Sender-Nennspannung
65 kV 50 kV
Sender-Nennstrom:
34 Apeak
18 Aave
48 Apeak
17 Aave
M. Ebert
Zuverlässigkeitsmanahmen der Injektionsbeschleuniger: DESY-2
Vakuum Systeme
schon getroffene Manahmen:
Ersatz diverser Vakuum Ventil Elektroniken (2000/2001) Ersatz aller Asbest-enthaltenden Vakuumpumpen (2003) Messrohraustausch in DESY-2 sowie in den L- und E-Wegen (2004)
geplante Manahmen:
Erstellung einiger Ersatzkammern (2004+) Trennung der DESY2/3 Vakuumsysteme
die DESY-2 Vakuumkammer
Beispiel Kreuzkammer
Diagnostik
geplante Manahmen:
Effizienzanzeige zwischen Ende des L-Weges und DESY-2 DESY-2 Nebenbunchmonitor?
Vorteil Nachteil
Bei Hochspannungs-überschlägen → kein Schaden am Thyratron
Arbeitspunktverschiebung durch Alterung→ größer Jitter→ Abhilfe Regelung von Reservoir- und Heizungsspannung (sehr aufwendig)
Hohe Betriebskosten
Vorteil Nachteil
Leistungsfähige Schalter mit Pulsspannung im kV Bereich und mit Pulströmen im kA Bereich
Bei Hochspannungs-überschlägen → Schalter defekt
Einfache Ansteuerung→ 3-10V TTL Triggersignal→ 5V Versorgungsspannung
Jitter → 1ns bei tp < 10μs
Betriebskosten 1/3 vom Thyratron-Pulser
Thyratron-Pulser Halbleiterschalter-Pulser
geplante Manahmen: alle In.- und Ejektions-Pulser auf Halbleiter (Behlke Schalter, Thyristor Technologie) umgestellt
Heizungs- Reservoirtrafo
Hochspannungs-trenntrafo
Thyratron Cx1157 Trigger Einheit
Kondensator
Einstellung Heizungs- Reservoirspannung
5V Spannungsversorgung
Behlke Schalter
Schutzbeschaltung
Kondensator
Zuverlässigkeitsmanahmen der Injektionsbeschleuniger: DESY-2
F. Obier
gepulste Elemente
Zuverlässigkeitsmanahmen der Injektionsbeschleuniger: DESY-2
Kontrollsystem [ MST / MSK]
schon getroffene Manahmen:
Erneuerung auf PC-basiertes Kontrolsystem (1999) Erneuerung der Zyklusgeneratoransteuerung (1999) Implementation des Spar-Modes (2001/2002) Erneuerung der Triggergeneratoransteuerung (2002) Umstellung auf NT (2003) Ermöglichung der Top-Up Mode Tests (2003+) Erneuerung der AM-Generatorsteuerung inklusiv Lern-Mode (2004) Anpassungen für Betrieb mit Elektronen (2004)
geplante Manahmen:
Zentrales Error-Logging System (2004+) Sammlung von Betriebsdaten und Darstellung der Betriebsstatistik (2004+)
V) Top-Up Mode Tests
Tests #1 und #2(23.10.03 / 30.10.03):
Von Hand-getriggerte Transfers bei konstantem PIA Strom nach spezifizierten Bunchen(prüft Timing, Synchronisation, benötigte “pre-triggers” für die gepulsten Elemente; bzw. die Kicker und Septa)
Tests #3 (6.11.03):
Automatisierte Transfers mit konstantem Strom zu den Bunchen, die mehrStrom benötigen
Erreichte Stabilität des Gesamtstroms (bei diesem ersten Versuch): ~ 0.5% (Vergleich: 0.1% Ziel), weitere Tests werden folgen inklusiv der automatisierten Wahl des gewünschten Bunchstroms in DORIS sowie in PETRA
Anerkennung der Kollegen, die zur Erstellung dieses Vortrags direkt beigetragen haben:
MIN M. Nagl, F. Obier, M. Rakutt, H. Weise DESY J. Haar, J. Hameister, J. Maidment MKK B. Conrad, J.-P. Jensen, W. Merz MVA M. Seidel MVP J.-P. Wedekind MHF-E M. Ebert MDI G. Kube, R. Neumann MST R. Bacher, D. Ramert MSK U. Hurdelbrink und an den vielen anderen Kollegen die mitwirken …
Herzlichen Dank!
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