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 InjektorsKanone 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

Diagnostikgeplante Manahmen:

Effizienzanzeige zwischen Ende des L-Weges und DESY-2 DESY-2 Nebenbunchmonitor?

Vorteil NachteilBei Hochspannungs-überschlägen → kein Schaden am Thyratron

Arbeitspunktverschiebung durch Alterung→ größer Jitter→ Abhilfe Regelung von Reservoir- und Heizungsspannung (sehr aufwendig)Hohe Betriebskosten

Vorteil NachteilLeistungsfähige Schalter mit Pulsspannung im kV Bereich und mit Pulströmen im kA Bereich

Bei Hochspannungs-überschlägen → Schalter defekt

Einfache Ansteuerung→ 3-10V TTL Triggersignal→ 5V VersorgungsspannungJitter → 1ns bei tp < 10μsBetriebskosten 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!

0

10

20

30

40

50

60

BKR

MIN MKK

MVA MDI

MST

MDE

MH

F-P

MHF-

E

MEA

MSK D3 D5

ZTS

OTH

ER

Zahl

des

z.Z

.'s (2

004)

0

20

40

60

BKR

MIN MKK

MVA MDI

MST

MDE

MH

F-P

MH

F-E

MEA MSK D3 D5

ZTS

OTH

ER

Dau

er (M

inut

en)

0

2

4

6

8

10

BKR

MIN MKK

MVA MDI

MST

MDE

MHF-

P

MHF-

E

MEA MSK D3 D5

ZTS

OTH

ER

Zahl

des

z.Z

.'s (2

004)

0

20

40

60

BKR

MIN MKK

MVA MDI

MST

MDE

MHF-

P

MHF-

E

MEA MSK D3 D5

ZTS

OTH

ER

Läng

e de

s z.

Z.'s

(Min

uten

)

0

5

10

15

20

25

BKR

MIN MKK

MVA MDI

MST MPE

MH

F-P

MH

F-E

MEA MSK D3 D5 ZTS

OTH

ER

Zahl

zZ

(200

4)

0

20

40

60

80

BKR

MIN MKK

MVA MDI

MST MPE

MH

F-P

MH

F-E

MEA

MSK D3 D5 ZTS

OTH

ER

z.Z.

Dau

er (M

inut

en)

Anzahl der zeitweisen Zugänge Dauer der zeitweisen ZugängeLIN

AC-2

/PIA

DESY

-2/3

PETR

A-2

BetriebWartungstag