Zabezpieczenia nadprzewodzących elementów LHC przed
advertisement
Andrzej SKOCZEŃ1, Aleksander SKAŁA2 Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej (1), Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki (2) Zabezpieczenia nadprzewodzących elementów LHC przed skutkami utraty stanu nadprzewodzącego Streszczenie. Utrata stanu nadprzewodzącego, czyli quench jest bardzo groźnym zjawiskiem, które może prowadzić do gwałtownego zniszczenia urządzenia. Dlatego nadprzewodzące obwody akceleratora LHC (Large Hadron Collider) wymagają systemu ochrony QPS (Quench Protection System) przed skutkami tego zjawiska. W artykule opisano urządzenia składające się na ten system: trzy rodzaje detektorów quenchu, system ekstrakcji energii i układy zdalnego sterowania, monitoringu i komunikacji z innym podsystemami akceleratora. Abstract. The disappearance of superconducting state, so called quench is a very danger phenomenon which can lead to a sudden damage of equipment. Therefore the superconducting circuits of the LHC accelerator demand a protection system so called Quench Protection System QPS which protect against results of this phenomenon. The article describes equipments comprising this system: three kinds of quench detectors, energy extraction system and instruments for remote control, monitoring and communication to other subsystems of accelerator. (Protections of LHC superconducting elements against results of disappearance of superconducting state). Słowa kluczowe: nadprzewodnictwo, quench, ekstrakcja energii, zasilanie akceleratora LHC. Keywords: superconductivity, quench, energy extraction, LHC powering. Wprowadzenie Artykuł ten jest prezentacją doświadczeń zgromadzonych przez pracowników AGH w czasie udziału w pracach przy uruchomieniu LHC w latach 2005-2008 w ramach umowy CERN-AGH nr K 1208 AT/LHC. Wielki Zderzacz Hadronowy LHC jest największą instalacją badawczą. Celem badań, które zostaną przeprowadzone za pomocą tego akceleratora jest weryfikacja Modelu Standardowego SM budowy materii. Spodziewana jest także obserwacja zjawisk prowadzących uczonych poza system teoretyczny SM. Urządzenie zbudowano w europejskim ośrodku badawczym CERN pod Genewą w tunelu o długości 27km umieszczonym na głębokości 100m pod ziemią (Tabela 1 Dodatek A). Prowadzenie wiązek protonów o energii 7TeV po torze kołowym o obwodzie 27km wymaga pola magnetycznego o wartości indukcji 8,5T. Do wytworzenia takiego pola potrzebny jest prąd elektryczny o natężeniu 13kA. Generuje to konieczność wykorzystania nadprzewodników. Polska jest stałym członkiem CERN-u i uczestniczy w projektowaniu, budowie i uruchamianiu różnych części LHC. Rozwój przemysłowych zastosowań nadprzewodnictwa natrafia na techniczne trudności związane ze zjawiskiem przejścia rezystancyjnego, czyli quenchu [1]. Oczywiście możliwe jest zbudowanie bezquenchowych elementów nadprzewodzących (kriostabilnych). Do quenchu nie będzie dochodziło, gdy moc chłodzenia będzie większa niż moc rezystancyjnej generacji ciepła [2], [3], [4]. W praktyce prowadzi to do wymagania, aby ilość miedzi w kablu nadprzewodzącym była ponad 10 razy większa niż ilość nadprzewodnika NbTi. W wielu przypadkach spełnienie tego kryterium prowadziłoby do konstrukcji o ogromnych rozmiarach, masie i kosztach. W szczególności w technice otrzymywania wysokich pól magnetycznych na potrzeby badań naukowych fizyki cząstek elementarnych stosuje się kable nadprzewodzące o stosunku powierzchni miedzi do powierzchni nadprzewodnika NbTi w przekroju poprzecznym kabla na poziomie 1,7 [5] (Tabela 2 - Dodatek A). Konieczne jest więc, wyposażenie akceleratora w system ochrony przed skutkami quenchu. Punktowe i przypadkowe wydzielenie się niewielkiej ilości ciepła może doprowadzić do utraty stanu nadprzewodzącego. Najczęstszą przyczyną jest ogrzanie trących się powierzchni w czasie mikroprzesunięć nadprzewodzącego drucika, wchodzącego w skład nadprzewodzącego kabla, którym uzwojono elektromagnes. Do takiego przesunięcia może dojść pod wpływem drgań mechanicznych, zmian właściwości mechanicznych materiałów lub pola magnetycznego. W magnesach LHC zastosowano kable typu Rutherford, w których kilkadziesiąt włókien jest splecionych ze współczynnikiem upakowania około 90% pozostawiając 10% niewypełnionej przestrzeni z wieloma stykami do sąsiednich żył. Tarcie w czasie wzajemnych przesunięć powoduje rozpraszanie energii, które może być na tyle duże by miejscowo temperatura podniosła się powyżej temperatury krytycznej nadprzewodnictwa tzn. by wyzwolić quench. Pojawia się wtedy miejscowe grzanie rezystancyjne i wydzielające się ciepło wyprowadza z nadprzewodzenia przyległe regiony kabli. Powstaje dodatnie sprzężenie zwrotne potęgujące proces. Im więcej ciepła tym większa objętość nadprzewodnika przechodzi w stan normalny. Jeśli proces ten rozwija się zbyt wolno to temperatura i napięcie w zwojach cewki są zbyt wysokie. Konsekwencją może być: pogorszenie parametrów magnesu, zwarcie spowodowane stopieniem się izolacji lub nawet przerwa w obwodzie, kiedy dojdzie do przepalenia się kabla [6], [7]. Aby uniknąć ruchów uzwojenia, cewki usztywnia się zaciskając je w kołnierzu ze stali nierdzewnej. Jednak, w zależności od jakości uzwojenia cewki, w niektórych miejscach kable ciągle mogą się poruszyć. Kiedy prąd w magnesie rośnie dochodzi do przemieszczeń w miejscach o mniejszej stabilności mechanicznej. To właśnie nazywamy quenchem treningowym. Podczas następnego zasilenia magnesu przemieszczenie wystąpi już w innym miejscu. Po wielu takich próbach prąd, przy którym dochodzi do quenchu osiągnie nasycenie. Różnica między wartością prądu dla tego nasycenia, a prądem krytycznym nadprzewodnika jest miarą jakości magnesu. Podczas pracy w akceleratorze quenche w magnesach mogą być spowodowane stratami wiązki. Cząstki, które opuściły wiązkę mogą oddać swoją energię do nadprzewodnika. Jeśli energia ta będzie na tyle duża by temperatura podniosła się powyżej wartości krytycznej to dojdzie do quelchu [8]. Straty wiązki muszą być utrzymywane poniżej tzw. poziomów quenchu. Przy energii początkowej (450GeV) magnes ulegnie quenchowi na skutek chwilowej utraty 1,0·109 protonów. Podczas gdy przy pełnej energii akceleratora (7TeV) wystarczy już tylko tysiąc razy mniej, bo około 4,7·105 protonów. Ponieważ w jednej 11 paczce wiązki znajduje się 1,15·10 protonów (Tabela1 Dodatek A), to oznacza to, że wystarczy aby 0,0004% protonów uciekło z jednej paczki i trafiło do PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 7/2009 65 nadprzewodzącego kabla. Na obwodzie LHC będzie znajdowało się 2808 takich paczek protonów, a odległość od środka wiązki do wewnętrznej powierzchni cewek wynosi najwyżej 28mm (rys. 9). Kluczową sprawą dla zapobiegania skutkom quenchu jest, zapewnienie odpowiedniej szybkości propagacji zjawiska wzdłuż nadprzewodzących elementów. Trzeba wyprowadzić ze stanu nadprzewodzenia cały element nie dopuszczając do miejscowego przegrzania izolacji. Dlatego najważniejszą częścią wykonawczą systemu ochrony są grzejniki rezystancyjne zamontowane w bezpośrednim kontakcie z elementem nadprzewodzącym (rys. 9), w które w momencie wystąpienia quenchu doprowadzana jest energia podgrzewająca cały element. System QPS Ponieważ każdy obwód nadprzewodzący LHC wymaga ochrony przed skutkami quenchu cały system QPS (Quench Protection System) jest równie rozległy i zróżnicowany jak sam akcelerator. Co więcej, każdy obwód wymaga urządzeń monitorujących i/lub wykonawczych na kilku poziomach. Po pierwsze, na poziomie doprowadzeń prądowych, czyli elementów przenoszących prąd elektryczny z temperatury pokojowej, w której pracują zasilacze generujące prąd do temperatury kriogencznej, w której prąd ten wytwarza pole magnetyczne sterujące torem cząstek. Po drugie, ochrony wymagają magistrale nadprzewodzące doprowadzające prąd do cewek wytwarzających pole magnetyczne. I wreszcie po trzecie, ochronie podlega sama cewka nadprzewodząca. System QPS składa się z czujników zwanych detektorami quenchu i dwóch rodzajów aktuatorów: grzejników quenchujących wraz z ich zasilaczami (Heater Discharge Supply - HDS) oraz kluczy i rezystorów ekstrakcji energii (Enegy Extraction - EE). Szybkie przekazywanie informacji między tymi składnikami możliwe jest poprzez pętle prądowe obejmujące grupy urządzeń i nadzorowane przez odpowiednie sterowniki. Ponadto nadzór i zarządzanie urządzeniami możliwe jest dzięki połączeniu ich polową siecią komputerową czasu rzeczywistego typu WorldFIP oznaczoną na poniższych rysunkach symbolem WF. Zarówno pętle prądowe jak i segmenty sieci polowej dodatkowo umożliwiają integrację systemu QPS z innymi podsystemami akceleratora z których wymienimy tylko najważniejsze: • system pętli prądowej wiązki BIS Beam Interlock System składający się z 16 sterowników (Beam Interlock Controllers - BIC) i dwóch układów gaszenia wiązki (LHC Beam Dumping Systems – LBDS) i trzech pętli prądowych: • system monitorowania strat wiązki BLM (Beam Loss Monitoring) składający się z około 3500 czujników promieniowania i elektroniki; • system pętli prądowej zasilania składający się z 36 sterowników (Powering Interlock Controllers - PIC). Całość tworzy system ochrony akceleratora (Machine Protection System – MPS) [9], [10], [11]. System ten gwarantuje bezpieczne warunki pracy LHC poprzez monitorowanie stanu każdego urządzenia i bezpieczne wyłączanie akceleratora. Akcelerator może być wyłączony w sposób planowy lub na skutek powstania awarii. W obu przypadkach wiązki muszą zostać usunięte do osobnego tunelu zakończonego blokiem gaszącym, który stanowi jedyny element maszyny zdolny wytrzymać uderzenie wiązki bez uszkodzenia. Wszystkie urządzenia systemu QPS są urządzeniami inteligentnymi, dzięki wyposażeniu ich w procesory, pamięci programu i danych oraz cyfrowe interfejsy. Dzięki temu są 66 to urządzenia odbierające rozkazy i wysyłające odpowiedzi na zapytania oraz prowadzące akwizycję danych. Dane zbierane przez te urządzenia dotyczą stanu chronionych urządzeń i samych siebie. Obejmują zestaw jednobitowych flag i analogowych zmiennych pochodzących z bezpośredniego pomiaru lub obliczeń wykonanych w czasie rzeczywistym. Produkowane dane, urządzenia te umieszczają na magistrali sieci polowej WorldFIP [12] (WF), po której wędrują one do nadrzędnego komputera sprawującego rolę bramy dostępowej do zwykłej sieci komputerowej typu Ethernet. Dane są dwojakiego rodzaju. Pierwszy rodzaj dotyczy bieżących wartości zmiennych i flag notowanych kilka razy na sekundę lub rzadziej. Jest to tzw. logging system [13]. Drugi rodzaj to większe bloki danych generowane przez urządzenia natychmiast po momencie wyzwolenia, którym jest wykrycie quenchu lub wysłany rozkaz. Zawierają one kilkaset próbek zmiennych i flag z okresu bezpośrednio poprzedzającego wyzwolenie i kilka tysięcy próbek po tym zdarzeniu. Okres próbkowania wynosi od kilku do kilkudziesięciu milisekund. Ten rodzaj danych nosi nazwę PM (Post Mortem Data) [14]. Zabezpieczenia pasywne i aktywne Gdy podczas przepływu prądu rezystancja elementu nadprzewodzącego nagle rośnie od zera, naturalną metodą ograniczenia ilości ciepła w nim wydzielonego jest zmniejszenie prądu przepływającego przez niego. Najprościej osiągnąć to włączając równolegle z nadprzewodnikiem zwykły przewodnik pozostający w stanie zwarcia przy normalnej pracy nadprzewodnika, a przejmujący znaczną część prądu, gdy napięcie rośnie. Niestety element taki będzie powodował upływ także w przypadku napięć czysto indukcyjnych pojawiających się na nadprzewodniku. Lepiej więc użyć elementu o charakterystyce nieliniowej tak, by przejęcie prądu następowało dopiero po przekroczeniu pewnego progu. W LHC zastosowano oba rozwiązania: rezystory ochronne w magnesach o niższych prądach (korektory 600A) i diody półprzewodnikowe, złączowe w magnesach głównych. Obie zasady przedstawia rysunek 1. Rys. 1. Dwie zasady pasywnej ochrony magnesów. Rysunek dotyczący magnesów głównych przedstawia także podstawowy element wykonawczy ochrony aktywnej, jakim jest grzejnik quenchujący zasilany przez HDS (Heater Discharge Supply) Konstrukcja magnesu korekcyjnego jest taka, że może on bez uszkodzenia przyjąć całą energię magnetyczną w nim zgromadzoną. Cewki takiego magnesu nawinięte są kablami zbudowanymi z jednej izolowanej żyły (insulated single strand). Żyła taka składa się z wielu nadprzewodzących NbTi włókien (filaments) osadzonych w miedzianej matrycy (metodą ekstruzji [5]) dla poprawienia kriostabilności. W kablach takich, powstała w momencie inicjacji quenchu, strefa normalnego przewodnictwa Rozprzestrzenia się wystarczająco szybko, aby rozprowadzić zgromadzona energię w całej cewce i uniknąć przegrzania. Problem pojawia się, kiedy kilka takich magnesów połączymy w łańcuch, aby zasilać je z jednego zasilacza. W takim obwodzie, jeśli quench powstanie w jednym magnesie to energia całego obwodu w nim się wydzieli. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 7/2009 Dlatego konieczny jest równoległy bocznik w postaci rezystora lub diody (rys. 1), który przejmuje prąd obwodu, a quenchujący magnes absorbuje tylko swoją własną energię. Dodatkowo włącza się w obwód szeregowy rezystor dla przyspieszenia rozpraszania energii obwodu (EE). Natomiast główne magnesy nawinięte są wielożyłowymi (multistrand) kablami typu Rutherford [5]. Kable takie są chłodzone bardziej efektywnie, ponieważ hel pozostaje w bezpośrednim kontakcie z każdą żyłą. Redukuje to naturalną szybkość rozprzestrzeniania się strefy rezystancyjnej i cała energia magnesu absorbowana jest przez fragment cewki zbyt mały na to by uniknąć przegrzania. Dla przyspieszenia propagacji quenchu, wzdłuż cewek instaluje się grzejniki (rys. 1, rys. 9). W momencie wystąpienia quenchu, w obwodzie grzejnika aktywowany jest impuls prądu pochodzący z rozładowania kondensatora (HDS). Wydzielone przez grzejnik ciepło prowokuje drugi quench w większej części cewki. Obniża to temperaturę w miejscu inicjacji quenchu (hot spot). Magnesy główne LHC połączone są szeregowo w bardzo długi łańcuch, dlatego dodatkowo zastosowano pasywną ochronę każdego z nich za pomocą równoległej diody krzemowej umieszczonej w temperaturze 1.9K. Prąd poprzez diodę omija quenchujący magnes, kiedy napięcie na nim osiągnie wartość 6–8V (napięcie przewodzenia diody krzemowej w temperaturze 1.9K). Rys. 2. Zasada działania detektora quenchu. Detektor quenchu Ideę takiego urządzenia przedstawiono na rysunku 2. Detekcja quenchu polega na pomiarze napięcia na elemencie nadprzewodzącym. W stanie ustalonym prąd płynący przez nadprzewodnik jest prądem stałym i napięcie U jest równe zero. Gdy rozwija się proces quenchu, prąd ulega zmianie. Całkowite napięcie U(t) zawiera więc dwie składowe: indukcyjną UL(t) i rezystancyjną Ures(t). Detektor powinien być czuły tylko na Ures. Także w czasie procesów włączania i wyłączania prądu w nadprzewodniku, napięcie rezystancyjne jest zerowe, a indukcyjne osiąga znaczące wartości. Detektor nie powinien, więc zadziałać. Konieczna jest metoda oddzielenia tych składowych, gdyż celem jest wykrycie zdarzenia polegającego na pojawieniu się napięcia rezystancyjnego większego niż pewna wartość progowa UTHres. Dodatkowo konieczne jest wykonanie przez detektor operacji uprawomocnienia (walidacji) zdarzenia, jako prawdziwego quenchu w odróżnieniu od zakłóceń i szumów. Odbywa się to poprzez kryterium czasu trwania przekroczenia progu (rys. 3). Quench jest sygnalizowany gdy napięcie rezystancyjne przekracza próg przez czas ΔtVal, nazwany czasem walidacji quenchu. Jest to minimalny interwał czasu, przez jaki musi utrzymać się przekroczenie, aby wydarzenie zostało uznane za quench. Na rysunku 3 pokazano dwa przebiegi Ures(t), ale quench zostaje rozpoznany tylko w jednym – czerwonym - przypadku. W przypadku głównych magnesów dipolowych i kwadrupolowych zastosowano analogową metodę ekstrakcji napięcia rezystancyjnego [14], [16]. Ideę wyjaśniono na przykładzie magnesu dipolowego. Magnesy te zbudowane są z dwóch cewek nadprzewodzących (rys. 9) różniących się kierunkiem nawinięcia. Jednej, dla wiązki biegnącej zgodnie z ruchem wskazówek zegara (apertura B1), a drugiej, dla wiązki cząstek poruszających się w przeciwnym kierunku (apertura B2). Cewki te połączono szeregowo i zasilono prądem o wartości na poziomie 13kA. W ten sposób uzyskano przeciwne kierunki pola magnetycznego wytwarzanego przez te cewki w jednym obwodzie zasilania. Przy zmianie prądu na cewkach tych powstają napięcia indukcyjne UL o takich samych wartościach. Aby detektor nie był czuły na te napięcia, wykorzystano ideę układu mostkowego. Obie cewki uzupełniono dwoma rezystorami, wszystko razem łącząc w układ mostka. Sygnał niezrównoważenia na jego przekątnej pojawi się tylko w momencie powstania napięcia rezystancyjnego w uzwojeniu jednej z cewek (rys. 4). Jest to właśnie napięcie rezystancyjne Ures, w ten sposób wydzielone z całkowitego napięcia na magnesie. Wartość progową tego napięcia niezrównoważenia przyjęto 100mV, a czas walidacji wynosi 10ms. Rys. 3. Przebiegi napięcia rezystancyjnego na elemencie nadprzewodzącym. Quench zostanie wykryty tylko w przypadku krzywej czerwonej. Bardziej kompletny układ takiego detektora w rozwiązaniu zastosowanym dla magnesów dipolowych LHC przedstawiono na rysunku 5. Ideę mostkową uzupełniają: (a) dioda ochronna bocznikująca prąd magnesu, gdy całkowite napięcie na magnesie wzrośnie, (b) zasilacze grzałek quenchujących HDS, (c) zestaw 16-to bitowych przetworników analogowo-cyfrowych zapewniających akwizycję napięć na zasilaczach grzejników UHDS1 ÷ UHDS4, napięć aperturowych U1, U2 i napięcia rezystancyjnego Ures, (d) interfejs komunikacyjny WF oraz (e) układ walidacji czasowej. Rys. 4. Idea analogowego detektora Quelchu. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 7/2009 67 Rys. 5. Analogowy detektor quenchu zastosowany do ochrony głównych magnesów dipolowych LHC (Mag Quench Det). Wartości rezystancji zastosowane w przeciwległych gałęziach mostka wynoszą po 40kΩ. Rys. 6. Detektor cyfrowy – idea mostkowa. Dla przejrzystości pominięto pętlę prądową obejmującą detektor IPQ i zasilacze, oraz sieć WF. L U diff d (I + ) dt R prot Rys. 7. Układ zasilania i ochrony magnesów o prądzie maksymalnym 400÷600A. Układ przedstawiono w momencie pojawienia się nie zerowej składowej rezystancyjnej Ures (czerwony element włączony szeregowo z indukcyjnością). Dla przejrzystości pominięto pętlę prądową obejmującą detektor, zasilacz i urządzenie ekstrakcji energii, oraz sieć WF. Podobną ideę równoważenia dwóch napięć na różnych (ale o tej samej indukcyjności) elementach obwodu nadprzewodzącego, lecz w wersji cyfrowej, wykorzystano do wydzielenia napięcia rezystancyjnego w obwodzie magnesów kwadrupolowych w strefie dopasowania lub dipoli separująco-rekombinujących. Zasadę prześledzimy na przykładzie kwadrupola, składającego się z dwóch takich samych dwuaperturowych magnesów zasilanych z dwóch źródeł prądu w układzie mostkowym (rys. 6). Napięcie na każdej z cewek jest mierzone i przetwarzane na 12-to 68 bitowy sygnał cyfrowy. Różnice napięć dotyczących tej samej wiązki (apertury), obliczane są za pomocą procesora sygnałowego. Rozłożono napięcia U1B1 i U2B1, dla jednej apertury, na składowe rezystancyjną i indukcyjną, przy zachowaniu konwencji kierunków napięć takiej jak na rysunku 6 (1) U1B1 = U res1B1 + U L1B1 U 2 B1 = U res 2 B1 − U L 2 B1 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 7/2009 Dodając stronami zapisane równania otrzymano (2) U resB1 = U res1B1 + U res 2 B1 = U1B1 + U 2 B1 gdzie części indukcyjne zniosły się, gdyż indukcyjności obu cewek są takie same i płynie przez nie ten sam prąd. Podobnie (3) U resB 2 = U1B 2 + U 2 B 2 Wartości progowe tych napięć wynoszą 100mV, a quench sygnalizowany jest, gdy jedno z nich utrzymuje się powyżej progu przez 10ms. W sytuacji, gdy nie istnieje w obwodzie drugi element nadprzewodzący, który mógłby stanowić odniesienie dla odejmowania składowych indukcyjnych, konieczna jest znajomość pochodnej prądu. Taka sytuacja występuje w układach zasilania korektorów o prądzie zasilania na poziomie 600A. Ideę cyfrowego detektora quenchu przedstawiono na rysunku 7. Detektor wykrywający quench na magnesach 600-amperowych (600A Mag Quench Det) mierzy prąd I wpływający do kriostatu (za pomocą czujnika Halla CT) i pomiędzy końcami napięcie różnicowe Udiff wysokotemperaturowych, nadprzewodzących części doprowadzeń prądowych HTS. Układ analogowo-cyfrowy z wykorzystaniem procesora sygnałowego oblicza pochodne czasowe obu mierzonych wielkości: di/dt, dUdiff/dt,. Pamięć stała detektora zawiera eksperymentalną zależność indukcyjności łańcucha magnesów od prądu przez niego płynącego L(I) oraz wartość rezystora zabezpieczającego Rprot. Korzystając z drugiego prawa Kirchhoffa, procesor sygnałowy oblicza rezystancyjną część napięcia na cewce magnesu według równania (4) U res = U diff dU diff dI 1 − L(I ) ⋅ ( + ⋅ ) dt R prot dt Drugi człon w tej sumie to składowa indukcyjna napięcia na cewce magnesu. Zastosowanie rezystora ochronnego Rprot o wartościach rezystancji 100÷250mΩ znacząco komplikuje tę formułę i co za tym idzie pracę procesora sygnałowego. W niektórych obwodach 600-amperowych nie jest on potrzebny. Dla prądów I większych od 50A, gdy tak wyliczona wartość Ures przekroczy próg 100mV i przekroczenie trwa dłużej niż 10ms sygnalizowany jest quench i otwierany wyłącznik ekstrakcyjny. Dla prądów mniejszych od 50A, przyjęto wyższy próg 1V gdyż zależność L(I) jest w tym obszarze trudniej mierzalna i obarczona większym błędem. Niezawodność systemu QPS Niezawodność systemu ochrony jest określona przez jego gotowość do przyjęcia żądań od podukładów i przez brak fałszywych wyzwoleń systemu prowadzących do niepotrzebnych wyłączeń maszyny. Powyżej przedstawiono konstrukcję jednego kanału detektora. Dla osiągnięcia odpowiedniej niezawodności systemu QPS dla każdego rodzaju detektora określono odpowiednią wielokanałową topologię detekcji [17]. Jeśli wyobrazimy sobie detektor zbudowany z n kanałów takich jak na rysunku 4 lub rysunku 5, to dla wystąpienia detekcji konieczne jest pojawienie się k (k≤n) sygnałów (aktywnych niskim poziomem) na wyjściu komparatorów. Zapisuje się to w następujący sposób: „k spośród n”. W oparciu o symulacje wybrano topologię „2 spośród 2”. Ponadto trzy sygnały napięciowe tworzące mostek wyprowadzone są z magnesu dwoma redundantnymi drogami i podłączone do dwóch niezależnych detektorów każdy o topologii „2 spośród 2”. Wypracowane przez każdy z takich podwójnych detektorów sygnały wyzwalania podawane są na bramkę OR tworząc w ten sposób następny poziom redundancji zwiększającej niezawodność. Pełną topologię „(2 spośród 2) OR (2 spośród 2)” przedstawia rysunek 8. W oparciu o symulacje ustalono, że liczba spodziewanych fałszywych detekcji jest około 10 na rok. Można ją obniżyć stosując redundancję zasilaczy detektorów quenchu. Jednak z uwagi na koszty rozwiązanie to ograniczono do najbardziej wrażliwych miejsc, pozostawiając możliwość łatwej rozbudowy detektorów o drugi zasilacz. Pozostałe, cyfrowe grupy detektorów zostały zbudowane w topologii „1 spośród 2” z zastosowaniem podwójnych zasilaczy. Topologia „2 spośród 2" Napięcie referencyjne komparator wzmacniacz Układ walidacji czasowej komparator wzmacniacz Topologia „2 spośród 2" Napięcie referencyjne komparator wzmacniacz Układ walidacji czasowej komparator wzmacniacz Rys. 8. Topologia detektora analogowego “(2 spośród 2) OR (2 spośród 2)”. Ponadto dla podniesienia gotowości systemu przewidziano dwa rodzaje testu: sprzętowy test koherencyjny i programowy test quenchowy [17]. Test koherencyjny (CT – Coherence Test) polega na tym, że sygnały cyfrowe (flagi) z dwóch redundantnych detektorów doprowadzone są do bramki XOR w celu ich porównania. Kiedy flagi są różne, wyjście bramki XOR generuje flagę koherencji stanowiącą ostrzeżenie dla systemu i operatora. Test quenchowy (QT – Quench Test) polega na wygenerowaniu (symulacji) quenchu w samym detektorze. Wysłanie przez oprogramowanie lub operatora komendy „Test Mode” do detektora powoduje, że procesor detektora i przetwornik cyfrowo-analogowy formuje sygnał dostarczany na wzmacniacze pomiarowe detektora w miejsce przekątnej mostka Ures. Przekroczenie przez ten sygnał progu UTHres daje możliwość przetestowania wszystkich funkcji detektora: zmiany flag, otwarcie pętli prądowej, generacja post-mortem i in. Test taki powoduje także testowe rozładowanie kondensatorów HDS i wywołanie quenchu przez grzejniki quenchujące, dlatego powinien być wykonywany, gdy nie ma prądu w elektromagnesach. Kluczową sprawą dla wszelkiej elektroniki pracującej w akceleratorze jest jej odporność radiacyjna. Elektronika QPS detektorów analogowych w całości rozmieszczona jest w tunelu głównym na podłodze pod głównymi magnesami dipolowymi. Dawki w tym miejscu przewidywane na podstawie symulacji nie przekraczają 2Gy/y podnosząc się do 10Gy/y w okolicach końców kwadrupoli głównych [18]. Urządzenia QPS zostały zbudowane w całości w oparciu o typowe elementy elektroniczne (Components-Off-The-Shelf - COTS), a ich przydatność w tym otoczeniu radiacyjnym została potwierdzona w przeprowadzonych testach [19]. Wykazały one poprawną funkcjonalność do dawki 200Gy. Urządzenia detektorów cyfrowych zlokalizowane są w tunelach bocznych oddzielonych od magnesów grubą betonową ścianą. Nie podlegają, więc zagrożeniom radiacyjnym. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 7/2009 69 Apertura B1 Apertura B2 L11 (cewka górna) H12 L21 (cewka górna) H13 H11 56 H22 H23 H14 H21 H24 H15 H28 H25 mm H18 H17 H16 H27 H26 194 mm L12 (cewka dolna) L22 (cewka dolna) L11, L12 – indukcyjności cewek apertury B1 L21, L22 – indukcyjności cewek apertury B2 H11...H18 – rezystancyjne taśmy grzejników quenchujących apertury B1 H21...H28 – rezystancyjne taśmy grzejników quenchujących apertury B2 Rys. 9. Rozmieszczenie grzejników propagujących quench na powierzchni cewek wewnątrz rdzenia głównego magnesu dipolowego. Magnes Grzejnik propagujący quench i jego zasilacz Wszystkie magnesy główne w łukach LHC oraz większość magnesów w sekcjach dopasowania mają na tyle wysokie prądy pracy (3.7-13kA) i zgromadzoną energię pola magnetycznego, że wymagają aktywnej ochrony za pomocą grzejników propagujących quench. Nominalne napięcie pracy kondensatorów wynosi ~450V dając wyjściowe napięcie na grzejniku około 900V i energię zgromadzoną 2,86kJ. Każda z dwóch sekcji ładowana jest oddzielnie. Odbywa się to w trzech fazach z kolejno malejącą rezystancją szeregową, co osiągnięto poprzez kolejne zamykanie kluczy (kontaktronów) najpierw K01 i K11 a potem K02 i K12. Dzięki temu proces ten trwa około 15min (rys. 11). Najpierw ze stałą czasową 236s (na rysunku 11 widoczny jest tylko koniec tej fazy), po zwarciu pierwszego rezystora stała czasowa maleje do 75,3s, aż wreszcie w trzeciej i ostatniej fazie osiąga wartość 13,1s. Przebieg krzywych rozładowania przedstawia rysunek 11. Stała czasowa rozładowania wynosi: (5) τHDS=CHDS ·Rh=7,05mF·12Ω=84,6ms. Przebieg napięć na baterii kondensatorów HDS podlega stałemu monitoringowi za pomocą systemu PM i „logging data”. Nawet niewielki zmiany w kształcie krzywych przedstawionych na rysunku 12 świadczą o zachodzących zmianach w grzejnikach i kondensatorach, a co za tym idzie, o jakości i niezawodności ochrony magnesu. Rys. 10 Konstrukcja zasilacza grzejnika quenchujacego HDS. Jeden kondensator ma pojemność 4,7mF, a rezystory R01=R11=9,5kΩ, R02=R12=4,4kΩ, R02=R12=940Ω. W przypadku głównych magnesów dipolowych grzejnik jest stalową taśmą o szerokości 15mm i grubości 0,025mm, częściowo pokrytą miedzią i wklejoną pomiędzy dwie warstwy poliamidowej izolacji o grubości 0,075mm. Dwa paski są połączone szeregowo, czyli długość jednego grzejnika wynosi 30m, a rezystancja Rh=12Ω [20]. Grzejniki zamontowane są w bezpośrednim kontakcie z zewnętrzną powierzchnią cewek magnesu (przed zaciśnięciem cewek w stalowym kołnierzu) na całej ich długości (ok. 15m), tak jak pokazano na przekrojowym rysunku 9. W chwili wykrycia quenchu grzejniki otrzymują energię ze specjalnych zasilaczy HDS (Heater Discharge Supply). Rysunek 10 przedstawia konstrukcję takiego zasilacza. Składa się on z baterii kondensatorów ładowanej podwyższonym i dwupołówkowo wyprostowanym napięciem sieci energetycznej, a rozładowywanej poprzez dwa tyrystory wyzwalane sygnałem przekazywanym z detektora quenchu. Bateria kondensatorów zbudowana jest z 6 kondensatorów (4.7 mF/500 V) – dwie szeregowo połączone sekcje, każda po trzy kondensatory równolegle - gdzie punkt wspólny jest uziemiony. Całość baterii ma pojemność CHDS=7,05mF. 70 Rys. 11. Krzywa ładowania kondensatorów HDS (dane logging) po teście QT i wygenerowaniu danych PM. Widoczna dwukrotna zmiana stałej czasowej ładowania. Niezawodność zasilaczy HDS jest niezwykle ważna, gdyż jeżeli napięcie na chociaż jednym z nich jest niższe niż 860V to nie można włączyć całego akceleratora. Ochrona jednego elementu jest bowiem niewystarczająca. Dlatego części elektroniczne dla tego urządzenia (ze PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 7/2009 szczególnym uwzględnieniem tyrystorów) zostały poddane szczegółowym testom niezwodnościowym, czasu życia i odporności radiacyjnej. Także gotowe egzemplarze zasilaczy HDS przeszły testy radiacyjne do poziomu dawki 200Gy [14]. W LHC zainstalowano 6076 takich urządzeń. Rys. 12 Typowe krzywe rozładowania HDS przez grzejniki quenchujące (dane PM). Widoczny przyrost napięcia pod koniec procesu oznacza, że rozpoczęło się już ponowne ładowanie kondensatorów HDS-ów, by urządzenia przygotować (uzbroić) na wypadek kolejnego quenchu. Ciąg dalszy tego procesu pokazuje rysunek 11. Insert pokazuje wygląd pojedynczego HDS-a. Rys. 13 Wyłącznik ekstrakcyjny głównego obwodu dipolowego LHC. Rys. 14 Rezystor ekstrakcyjny 75mΩ głównego obwodu dipolowego LHC zamontowany w tunelu bocznym. Ekstrakcja energii Każde wyłączenie prądu w magnesach (planowe lub awaryjne) wiąże się z koniecznością usunięcia z magnesów zgromadzonej w nich energii pola magnetycznego. W przypadku wyłączeń planowych proces ten może odbywać się powoli i energia może być przejmowana przez konwerter mocy z powrotem do sieci energetycznej. W przypadku quenchu lub innych żądań nagłego wyłączenia zasilania opracowano mechanizm szybkiego usuwania (ekstrakcji) energii z magnesów. Polega on na włączeniu w obwód dodatkowej rezystancji, w której energia magnetyczna z magnesów zamieni się na ciepło. Urządzenie wykonujące taką operację ekstrakcji energii składa się z normalnie zamkniętego wyłącznika i rezystora, który w czasie pracy akceleratora pozostaje zwarty tym wyłącznikiem. W zależności od ilości zgromadzonej w obwodzie energii i wartości prądu zasilania zbudowano kilka rodzajów urządzeń ekstrakcyjnych. Każdy element tych urządzeń zaprojektowano dla wysokiej niezawodności i długiego czasu pracy. Wyłączniki półprzewodnikowe odrzucono ze wzglądu na słabą odporność radiacyjną, duże upływy i ponieważ ich otwarcie odbywa się za pomocą jednego tylko impulsu wyzwalającego. Natomiast wyłączniki elektromechaniczne są zaprojektowane z dwoma niezależnymi mechanizmami spustowymi: wyzwalanie impulsem i zanikiem napięcia. Upływy takich wyłączników są 10 razy mniejsze niż równoważnego tyrystora. Napięcie na tyrystorze nie spada poniżej 1,4V, podczas gdy wyłącznik mechaniczny przy prądzie 4kA ma napięcie nieprzekraczające 60mV. Zastosowane wyłączniki pozbawione są mechanicznych zapadek lub zatrzasków [21], [22]. W obwodach głównych LHC zastosowano wyłączniki wykorzystujące trójdrożny obwód magnetyczny. Powstający w czasie otwierania łuk elektryczny jest przemieszczany polem magnetycznym w obszar specjalnego tłumika w górnej części obudowy wyłącznika. W ten sposób łuk jest szybko i skutecznie wygaszany. Ponieważ pojedynczy wyłącznik zaprojektowany jest dla prądu maksymalnego 4kA, dlatego jedno urządzenie ekstrakcyjne składa się z czterech równoległych gałęzi, z których każda zawiera dwa szeregowe, redundantne wyłączniki (rys. 13). Równomierny rozpływ prądu zapewniają quasi-koaxialne magistrale prądowe. Wybór wartość rezystancji włączanej w obwód jest kompromisem między energią wydzieloną w zimnej diodzie zabezpieczającej quenchujący magnes, która przewodzi prąd w czasie ekstrakcji, a maksymalną dopuszczalną prędkością zaniku prądu, która nie prowadzi do powstania wtórnych quenchy. Dla głównego obwodu dipolowego wartość ta wynosi 75mΩ, a wygląd takiego rezystora jest imponujący (rys. 14). Składa się on z trzech równolegle połączonych modułów, każdy o rezystancji 225mΩ i masie 4,5t. Moduły zawierają płyty ze stali nierdzewnej chłodzone wymuszonym obiegiem powietrza z wbudowanym wymiennikiem ciepła powietrze-woda. Temperatura rezystora w czasie ekstrakcji może osiągnąć aż 200oC, a czas chłodzenia 120min. Dla głównych obwodów kwadrupolowych użyto wyłączników o podobnej konstrukcji lecz mniejszych, a rezystor o wartości 6,6mΩ lub 7,7mΩ mieści się w typowej szafie z elektroniką. W 202 obwodach o prądach na poziomie 600A zastosowano inną konstrukcję, mniejszych elektromechanicznych wyłączników. Zastosowane wartości rezystancji leżą w przedziale 200÷700mΩ. W pozostałych obwodach LHC układ ekstrakcji energii jest częścią zasilającego obwód konwertera mocy. Układ taki składa się z półprzewodnikowego elementu (crowbar) i niskonapięciowego wyłącznika. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 7/2009 71 Podziękowania Autorzy pracowali w wielonarodowościowej grupie kierowanej z wielkim zaangażowaniem przez Knuda Dahlerupa-Petersena (Dania) i dwóch jego stałych współpracowników Reinera Denza (Niemcy) i Gerta-Jana Coelinga (Holandia). Z polskiej strony oprócz nas uczestniczyli także: Adam Drozd, Arkadiusz Gorzawski i Edward Nowak. Chcielibyśmy też wymienić przynajmniej kilka nazwisk inżynierów z innych krajów, którzy uczestniczyli w uruchomieniu systemu QPS: Andres Gomez-Alonso (Hiszpania), Maurice Nibelle (Francja), Anupama Kulkarni (Indie - BARC), Aleksander Erokhin (Rosja – BINP), Robert Flora (USA – Fermilab). Im i wielu innym dziękujemy za owocną i harmonijną współpracę w tunelu LHC i centrum sterowania CCC (CERN Control Center). Dodatek A. Tabela 1. Przegląd niektórych parametrów akceleratora [23] Energia Energia Wymia Parametr początkowa końcowa r (injection) (collision) Energia jednego protonu 0,450 7 TeV w wiązce Liczba protonów w 11 1,15·10 paczce Liczba paczek w wiązce 2808 Energia w wiązce 23,3 362 MJ Maksymalna świetlność 34 -2 -2 1.0·10 cm s (w punktach 1 i 5) Obwód akceleratora 26658,883 m Odległość wiązek 194 mm Liczba głównych dipoli 1232 Czas obiegu akceleratora 88,93 µs Czas między zderzeniami 25 ns Tabela 2. Niektóre parametry kabli nadprzewodzących [5] Cewka Cewka zewnętrzna Parametr wewnętrzna Wymiar dipoli i dipoli kwadrupole 1,9659 ± 0,8250 ± Średnica żyły mm 0,0025 0,0025 Stosunek Cu/NbTi 1,60 ÷ 1,70 1,90 ÷ 2,00 Średnica włókien μm 7,0 ± 0,1 6,0 ± 0,1 6300÷6500 8700÷8900 ± Liczba włókien w żyle 20 ± 20 Skok splotu włókien mm 18,0 ± 1,5 15,0 ± 1,5 LITERATURA [1] S u r d a c k i P . , Wpływ warunków propagacji strefy rezystywnej na stabilność pracy cewki nadprzewodnikowej, Przegląd Elektrotechniczny, (2004) nr.11, [2] M e s s K . H . , Quench Protection, CAS 1995 Hamburg, CERN 96-03, p. 143 [3] S t e k l y Z . J . J . , Z a r J . L . , Stable Superconducting Coils, IEEE Trans. NS, vol.12 (1965), (3) 367 [4] S u r d a c k i P., Kryteria stabilności w analizie nadprzewodników silnoprądowych, Przegląd Elektrotechniczny, (2008) nr.5, [5] D e v r e d A . , Practical Low-Temperature Superconductors for Electromagnests, CERN–2004–006 [6] O g i t s u T . , T s u c h l y a K . , D e v r e d A . , Investigation of Wire Motion in Superconducting Magnets, IEEE Trans. On Magnetics, vol. 27, no.2 (1991) [7] S i e m k o A . , Magnet Quench Process, Proceedings of Chamonix XI, CERN-SL-2001-003 DI [8] J e a n n e r e t J . B . , L e r o y D . , O b e r l i y L . , T r e n k l e r z T . , Quench Levels and Transient Beam Losses in LHC Magnets, LHC Project Report 44, CERN 1996 [9] B o r d r y F . , D e n z R . , M e s s K . H . , P u c c i o B . , R o d r i g u e z - M a t e o s F . , S c h m i d t R . , Machine Protrction 72 for the LHC: Architecture of the Beam and Powering Interlock Systems, LHC Project Report 521, CERN 2001 [10] M e s s K . H . , S c h m i d t R . , Architecture of the Machine Protection System, Proceedings of Chamonix XI, CERN-SL2001-003 DI [11] F i l i p p i n i R . , D e h n i n g B . , G u a g l i o G . , R o d r i g u e z Mateos F., Schmidt R., Todd B., Uythoven J., V e r g a r a - F e r n á n d e z A . , Z e r l a u t h M . , Reliability Assesssment of the LHC Machnie Protection System, Proceedings of the 2005 Particle Accelerator Conference, Knoxville, Tennessee [12] K SEP-I-0008. protokół WorldFIP do przesyłu danych, SEP Centralny Ośrodek Szkolenia i Wydawnictw [13] B i l l e n R . , R o d e r i c k C . , The LHC Logging Service. Capturing, storing and using time-series data for the world's largest scientific instrument, AB-Note-2006-046 (CO), CERN 2006 [14] C i a p a l a E . , R o d r i g u e z - M a t e o s F . , S c h m i d t R . , Wenninger J.; The LHC Post-Mortem System, LHC Project Note 303, CERN 2002 [15] D e n z R . , R o d r i g u e z - M a t e o s F . , Electronic Systems for the Protection of Superconducting Elements in the LHC, LHC Project Report 697, CERN 2004 [16] D e n z R ., Electronic Systems for the Protection of Superconducting Elements in the LHC, LHC Project Report 879, CERN 2005 [17] V e r g a r a - F e r n á n d e z A., Rodríguez-Mateos F., Reliability of the quench protection system for the LHC superconducting elements, NIM A 525 (2004) 439–446 [18] F y n b o C . A . , S t e v e n s o n G . R . , Estimation of extra dose contribution in the LHC arcs arising from proton losses far downstream of the high luminosity interaction points IP1 & IP5, LHC Project Report 295, CERN 2002 [19] D e n z R . , R o d r i g u e z - M a t e o s F . , Radiation Tolerance of Components Used in the Protection System of LHC Superconducting Elements, LHC Project Report 606 CERN 2002 [20] R o d r i g u e z - M a t e o s F . , S o n n e m a n n F . , Quench Heater Studies for the LHC Magnets, Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago [21] D a h l e r u p - P e t e r s e n K., Rodriguez-Mateos F., S c h m i d t R . , S o n n e m a n n F . , Energy Extraction for the LHC Superconducting Circuits, Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago [22] D a h l e r u p - P e t e r s e n K . , M e d v e d k o A . , E r o k h i n A . , K a z m i n B . , S y t c h e v V . , V a s s i l i e v L . , Energy Extraction in the CERN Large Hadron Collicder. A Project Overview, LHC Project Report 496, CERN 2001 [23] LHC Machine, JINST (2008) vol. 3, S03001, (LHC Design Report vol. 1, CERN-2004-003) Autorzy: dr inż. A n d r z e j S k o c z e ń , Akademia-Górniczo Hutnicza, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej, Katedra Odziaływań i Detekcji Cząstek, Zespół Elektroniki Jadrowej i Detekcji Promieniowania, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, E-mail: [email protected]; mgr inż. A l e k s a n d e r S k a ł a , Akademia-Górniczo Hutnicza, Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, E-mail: [email protected]; PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 7/2009
