CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de...

32
A. Siemko AT/MEI RH23 RH87 R E52 RE48 R E58 RE62 RE72 R E78 RE82 RE12 R E88 RE22 RE18 RE28 R E42 R E38 R E68 U J4 6 UA47 U J4 7 RA47 UW 45 US45 U L4 6 TX46 U J4 4 UX45 RA43 UA43 UL44 U J4 3 RR53 U J5 3 UXC55 USC55 PM 54 PX56 RZ54 UP53 U J5 6 1 U J5 7 RR57 U J5 6 PM 56 UL56 TU56 UD62 U J6 2 U J6 3 PM 65 U J6 4 UA63 RA63 TD68 UP62 U L6 4 PZ65 PX64 U J6 6 U J6 7 U J6 8 UX65 UA67 RA67 TD68 UD68 UP68 UL66 TX64 UW 65 US65 P oin t 7 RR73 RR77 U J7 6 PM 76 TZ76 RA83 UA83 U J8 3 U J8 4 PM 85 PX84 PZ85 UX85 TX84 UL86 UA87 RA87 U J8 6 U J8 7 UW 85 US85 U L8 4 T I 8 U J8 8 PGC8 T J 8 RR13 U J1 3 RT12 U J1 4 US15 T I1 2 PM 15 PX14 UX15 U L1 4 U J1 2 LSS4 P M I2 U J1 7 U J1 8 U J1 6 T I1 8 RR17 PM 18 PX16 PX15 USA15 UL16 U J2 2 U J2 3 U J2 4 UA23 RA23 T I 2 PGC2 RA27 U J2 6 PX24 UX25 PM 25 UW 25 US25 UL24 UL26 U J2 7 UA27 ALIC E PZ 33 PM 32 U J3 2 U J3 3 RZ33 TZ32 CMS P oin t 6 LH C b ATLAS SPS PX46 PZ45 PM 45 RT18 P oin t 8 P oin t 5 P oin t 4 P oin t 3 .3 P oin t 3 .2 P oin t 2 P oin t 1 P oin t 1 .8 CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT

Transcript of CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de...

Page 1: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

RH23

RH87

RE52RE48

RE58

RE62

RE72

RE78

RE82

RE12RE88

RE22

RE18

RE28

RE42

RE38

RE68

UJ 46

UA47

UJ 47RA47

UW45

US45

UL46

TX46

UJ 44

UX45

RA43

UA43

UL44

UJ 43 RR53

UJ 53

UXC55

USC55

PM54

PX56

RZ54UP53

UJ 561

UJ 57RR57

UJ 56

PM56

UL56TU56

UD62

UJ 62

UJ 63

PM65

UJ 64

UA63

RA63

TD68

UP62

UL64

PZ65

PX64

UJ 66

UJ 67

UJ 68

UX65

UA67

RA67

TD68

UD68

UP68

UL66

TX64

UW65 US65

Point 7

RR73

RR77

UJ 76

PM76

TZ76

RA83

UA83

UJ 83

UJ 84

PM85

PX84

PZ85

UX85

TX84

UL86

UA87

RA87 UJ 86

UJ 87

UW85

US85

UL84

TI 8UJ 88

PGC8

TJ 8

RR13

UJ 13

RT12

UJ 14

US15

TI 12

PM15

PX14

UX15

UL14

UJ 12

LSS4

P M I 2

UJ 17

UJ 18

UJ 16TI 18

RR17

PM18 PX16 PX15

USA15

UL16

UJ 22

UJ 23UJ 24

UA23

RA23

TI 2

PGC2

RA27

UJ 26

PX24

UX25

PM25

UW25US25

UL24

UL26

UJ 27 UA27

ALICE

PZ 33

PM32

UJ 32 UJ 33

RZ33

TZ32

CMS

Point 6

LHCb

ATLAS

SPS

PX46PZ45

PM45

RT18

Point 8

Point 5

Point 4Point 3.3

Point 3.2

Point 2

Point 1Point 1.8

CERNOrganisation Européenne pour la Recherche Nucléaire

La protection des aimants lors de transitions résistives

Andrzej Siemko, CERN/AT

Page 2: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

Contenu

L’architecture magnétique du LHC

Le phénomène du « Quench »

Le système « Quench Protection » de protection des aimants supraconducteurs en cas de transitions résistives

Aperçu sur l’opération du système cryogénique : protection hydraulique par vannes et lignes de décharge

Conclusion

Page 3: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

L’architecture magnétique du LHC

LHC Sector

1

5

Main DC Power feed

3

Oct

ant

DC Power

2

4 6

8

7LHC27 km Circumference

Powering Sector:

154 aimants dipolaires,

environ 44 quadripôles;

Longueur d’environ 3 km

L’architecture magnétique du LHC se divise en huit secteurs principalement constitués de chaines d’aimants supraconducteurs, dipolaires ou

quadripolaires raccordes en série

Page 4: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

RH87

RE78

RE82

RE12RE88

Point 7

RR73

RR77

UJ 76

PM76

TZ76

RA83

UA83

UJ 83

UJ 84

PM85

PX84

PZ85

UX85

TX84

UL86

UA87

RA87 UJ 86

UJ 87

UW85

US85

UL84

TI 8UJ 88

PGC8

TJ 8

RR13

UJ 13

RT12

UJ 14

US15

TI 12

PM15

PX14

UX15

UL14

UJ 12

LSS4

UJ 17

UJ 18

UJ 16TI 18

RR17

PX16 PX15

USA15

UL16

LHCb

ATLAS

SPS Point 8

Point 1

Sectorisation du LHC

Sector 8-1

Powering Sector:

~210 cold circuits 190 orbit corrector circuits ~10 warm circuits

Powering Subsectors:

correspondent en général aux cryostats indépendants, facilitent la mise en opération

arc and even matching section

inner triplets and odd matching section

warm magnets

Sector 7-8

Page 5: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

L’architecture magnétique du LHC

LHC Arc - Cellule élémentaire

23 cellules (2.5 km) dans chaque secteur

Page 6: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

A. Siemko AT/MEI Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, 10-11 Avril, 2008

Le phénomène du «quench»

The superconducting state is defined by the critical surface B (T), J (A/mm2), T (K)

Magnets operate in conditions corresponding to a point beneath the critical surface T=Top, J=Jop, and B=Bop

Increasing the current in the magnet the critical surface is crossed and a small volume V of superconductor becomes normal

The volume V starts dissipating heat because of Joule effect, and its temperature increases

LHC Dipol

e

Page 7: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

Le «quench»: Marge d‘opération d‘un aimant supraconducteur dipolaire

Temperature [K]

App

lied

field

[T]

Superconductingstate

Normal state

Bc

Tc

9.2 K

B [T]

Temperature [K]

QUENCH

1.9 K

8.3 T

0.54 T

NbTi

Page 8: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

A. Siemko AT/MEI

Des perturbations provoquer transitions résistives

Electrical disturbances Non uniform current distribution in Rutherford cables Strain dependence of critical current, flux jumps

Energy release in the magnet due to the beam losses Beam losses from non-perfect setting up of cleaning Fast beam losses Beam gas scattering

Mechanical disturbances Conductor motions Structural disturbances: micro-fractures, cracks, etc.

Pendant le fonctionnement, des perturbations peuvent entraîner une brusque transition résistive de l'aimant

Page 9: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

A. Siemko AT/MEI

La propagation des transitions résistives

In LHC dipoles a quench propagates along s.c. cables with average velocity of: 20-30 m/s at 8.34T >500ms to quench one turn 50-70 cm/s at 0.54T >21s to quench one turn

At nominal field quench propagates transversally (turn-to-turn) every ca. 10ms

Page 10: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

Current after quench

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

-0.05 0.15 0.35 0.55

Time [seconds]

Curr

ent [

A]

Approximation par Gaussienne

Courant dans le dipôle après une transition résistive

60

250

65

75

85

95

105

125

140

Quench provoked by spot heater

I=12850A ; T=1.90 K Tht~249 K

DThb~110 K

Quench origin

Quench origin (Spot heater)

Le «quench»: une montée de température Une fois que les chaufferettes de protection sont

allumées, en moins d’une seconde l’énergie est dissipée dans l’aimant

Page 11: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

RH23

RH87

RE52RE48

RE58

RE62

RE72

RE78

RE82

RE12RE88

RE22

RE18

RE28

RE42

RE38

RE68

UJ 46

UA47

UJ 47RA47

UW45

US45

UL46

TX46

UJ 44

UX45

RA43

UA43

UL44

UJ 43 RR53

UJ 53

UXC55

USC55

PM54

PX56

RZ54UP53

UJ 561

UJ 57RR57

UJ 56

PM56

UL56TU56

UD62

UJ 62

UJ 63

PM65

UJ 64

UA63

RA63

TD68

UP62

UL64

PZ65

PX64

UJ 66

UJ 67

UJ 68

UX65

UA67

RA67

TD68

UD68

UP68

UL66

TX64

UW65 US65

Point 7

RR73

RR77

UJ 76

PM76

TZ76

RA83

UA83

UJ 83

UJ 84

PM85

PX84

PZ85

UX85

TX84

UL86

UA87

RA87 UJ 86

UJ 87

UW85

US85

UL84

TI 8UJ 88

PGC8

TJ 8

RR13

UJ 13

RT12

UJ 14

US15

TI 12

PM15

PX14

UX15

UL14

UJ 12

LSS4

P M I 2

UJ 17

UJ 18

UJ 16TI 18

RR17

PM18 PX16 PX15

USA15

UL16

UJ 22

UJ 23UJ 24

UA23

RA23

TI 2

PGC2

RA27

UJ 26

PX24

UX25

PM25

UW25US25

UL24

UL26

UJ 27 UA27

ALICE

PZ 33

PM32

UJ 32 UJ 33

RZ33

TZ32

CMS

Point 6

LHCb

ATLAS

SPS

PX46PZ45

PM45

RT18

Point 8

Point 5

Point 4Point 3.3

Point 3.2

Point 2

Point 1Point 1.8

La protection de circuits supraconducteurs du LHC

1700 Electrical Circuits

5000 Protection Channels

1000 Beam Loss Monitors

Page 12: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

Energie stockée dans les aimants supraconducteurs

E dipôle = 0.5 L dipôle I 2dipôle

Avec les valeurs d’opération:

E dipôle = 7.1 MJ

Pour les 1232 dipôles dans le LHC:

E dipôle total = 8.65 GJ

Page 13: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

Ordres de grandeur

~9 GJ (1232 dipôles du LHC à 11850A)…

Correspondent à l’énergie de 1700 kg TNT pour chauffer et fondre 11000 kg de cuivre produite par une centrale nucléaire en 10 s

Page 14: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

R

R R

R

Quench Protection System (QPS)

1. Detection.

2. Propagation artificielle de la transition

V

3. Isolation de l’aimant qui transite

4. Ouverture des disjoncteurs de puissance

5. Extraction contrôlée de l’énergie de la chaîne =104s

Page 15: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

A. Siemko AT/MEI

Détection de transition résistive

dt

diLirv .1.11

dt

di.2Li.2r2v

dt

di.2L1Li.2r1r2v1v

= 0 si supraconducteur = 0 si les tensions se compensent

Page 16: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

A. Siemko AT/MEI Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, 10-11 Avril, 2008

Électronique de protection des aimants supraconducteurs

Analog bridge detector based on state of the art instrumentation amplifiers

(2 out of 2) || (2 out of 2) hardwired multi-channel evaluation scheme

Radiation tolerant Adjustment free – fixed threshold

detector Digitally isolated interface –

detector circuit on magnet potential

On-board data acquisition system

Cost efficient (2500 circuit boards in LHC)

Wheatstone bridge

Galvanically isolatedinterface to interlocks

and supervisionOn-board dataacquisition system

Analog detection system

Time discriminator

G=100100 mV

LOW =Quenchoccurred

Timediscriminator10 ms

VoltageReference

Interlock Current Loop

WheatstoneBridge Output

DAQ &Test

Acquisition & MonitoringController

Quench HeaterPower Supplies

100 mVG=100

Isolated AC/DCConverter 230V Redundant UPS

Page 17: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

A. Siemko AT/MEI Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, 10-11 Avril, 2008

Électronique de protection des aimants supraconducteurs

High precision digital systems with low detection threshold (UTH = 3 mV) for the protection of HTS leads

Fast DSP based systems for the protection of corrector and insertion region magnets (including superconducting busbars) and the inner triplets

Both systems integrated into so-called Global Protection Unit Simultaneous and independent

protection of up to 4 superconducting circuits

Units control and trigger associated quench heater power supplies

Type A Global Protection Unit for up to 4 corrector magnet circuits. The unit is attached to dedicated 600 A current sensors.

Page 18: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

A. Siemko AT/MEI Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, 10-11 Avril, 2008

Électronique de protection des aimants supraconducteurs

Active protection of superconducting magnets with quench heaters Function based on a

thyristor triggered capacitor discharge

6200 units in LHC

Extensive R& D program Component lifetime

(Aluminium electrolytic capacitors)

Radiation tolerance (main concern: thyristors)

Electromagnetic susceptibility

Large number of devices

Page 19: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

A. Siemko AT/MEI

Diodes de «by-pass» installées dans le bain d’hélium à 1.9 K

Heater firing circuitsCB

L77 L78 L79 R79 L153 L15475 mΩ

PC

FWDCB

75 m ΩI

L1 L2L76

Heater firing circuits

Simplified scheme with individual by-pass diodes for one LHC-Sector

Page 20: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

A. Siemko AT/MEI Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, 10-11 Avril, 2008

Diodes de «by-pass»

Page 21: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

La protection des circuits d’aimants

Updated on 16-Jul-06 Version 1 600A EE CERN - AT / MEL 1

Energy ExtractionEnergy Extraction

Page 22: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

A. Siemko AT/MEI

Energy Extraction Systems

The 200 Energy Extraction Systems represent 296 Tons of Components

13 kA 600 A

Page 23: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

A. Siemko AT/MEI

Disjoncteurs électromécaniques

Page 24: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

A. Siemko AT/MEI

Résistances de décharge

Page 25: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

A. Siemko AT/MEI Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, 10-11 Avril, 2008

When will Energy Extraction be activated in the LHC? Energy Extraction is a part of the normal operating procedures

in the LHC machine

Energy Extraction will NOT be used for the ordinary de-excitation of the magnet chains. Energy recuperation is possible in some of the circuits (e.g. in the Main Dipole circuits). Operating the converters in inversion will allow power feed-back to the Mains Grid.

Energy Extraction will be used in following cases: In the event of a quench in a magnet coil, a superconducting busbar

or a current lead In the event of a risk of damage to other components in the power

circuit (e.g. no water flow for a certain time in the 13 kA water-cooled cables or problems in the by-pass crowbar system or failure in the extraction switches)

Page 26: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

A. Siemko AT/MEI

«Quench» - Protection hydraulique

Page 27: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

A. Siemko AT/MEI

Protection hydraulique par vannes et lignes de décharge

Page 28: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

A. Siemko AT/MEI

«Quench» - Protection hydraulique

18 bar

2 min.

3 h

Pressure build-up

Pressure discharge

Page 29: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

A. Siemko AT/MEI

«Quench» - Protection hydraulique modélisation de

processus

Page 30: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

A. Siemko AT/MEI

«Quench» - Protection hydraulique modélisation de

processus

Energy balance Time

kJ kW (av.) s

1st phase 285 1074 0-0.26

2nd phase 217 46 0.26 - 4.7

3rd phase 3382 16 4.7 - 180TOTAL 3883 22

Magnet structure

Heat

Co

i

Bulk Helium

m = 0

QRV closed

Phase 2 - bulk helium heating

Magnet structure

HeatC

oi

Bulk Helium

m > 0

QRV open

Phase 3 - bulk helium heating and discharge

Magnet structure

MagneticEnergy

Heat

Co

i

Work

Virtual Adiabatic Piston

Confined Helium

Bulk Helium

m = 0

QRV closed

Phase 1 - adiabatic compression of the bulk helium

Page 31: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

Conclusions

The LHC as a project, it is much more complex and diversified than any other large accelerator project constructed to date

The LHC magnet protection system is as well the most complex and diversified system of this type ever built

The performance of the protection system is of fundamental importance for the collider and must be thoroughly validated before proceeding to run with significant stored beam energy

Commissioning of the protection system in the first sectors is ongoing and already demonstrated correctness of the functional principles and required performance of the equipment

Page 32: CERN Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire La protection des aimants lors de transitions résistives Andrzej Siemko, CERN/AT.

Remerciement K. Dahlerup-Pedersen R. Denz A. Vergara

Merci de votre attention