TRANSVERSE DAMPING SYSTEMS FOR THE FUTURE CERN LHC E. Gorbatchev, I. Ivanov, V. Kossoukhine, N. Lebedev, V. Melnikov, S. Rabtsoun, JINR, Dubna, Russia W. Hofle, T. Linnecar, R. Louwerse, J. Tuckmantel, CERN, Geneva, Switzerland Injection of the high intensity proton beam into the CERN Large Hadron Collider (LHC) presents challenging requirements for the transverse damping system built as a joint project between CERN and JINR (Dubna). This system must quickly reduce injection errors to minimize beam loss to remove risk of quench, and preserve emittance for high luminosity. It should work in a wide frequency range of 20 MHz to fight transverse coupled bunch instabilities. A low frequency electrostatic kicker with tetrode amplifiers has been chosen and the design considerations leading to this choice are described. The kicker design took account of the heating due to the electron cloud effect. A model to simulate the kicker/amplifier combination is presented. Finally preliminary results on the performance of the prototype damper power amplifier and kicker are given.
Основание для начала работ по созданию системы подавления поперечной неустойчивости пучка LHC : Приложение 1 к протоколу от 27 апреля 1997 года к соглашению о сотрудничестве между ОИЯИ и ЦЕРН по их участию в проекте по созданию большого адронного коллайдера (LHC), подписанному 19 июля 1997 года генеральным директором ЦЕРН С.Н. Левеллином Смитом и директором ОИЯИ В.Г.Кадышевским Меморандум о взаимопонимании, подписанный 26 октября 1998 года генеральным директором ЦЕРН С.Н. Левеллином Смитом, директором ОИЯИ В.Г.Кадышевским и координатором взаимодействий руководства проекта LHC в ЦЕРН и правительства Российской Федерации А.Н. Скринским
Обязательства ОИЯИ включает в себя следующие направления исследований и разработок: ОИЯИ в коллаборации с CERN производит разработку и создание 20 электростатических кикеров и 40 широкополосных усилителей; ОИЯИ разрабатывает техническую документацию на изготовление элементов LHC Damper; ОИЯИ производит изготовление, сборку и испытания изделий, их доставку и установку в CERN.
Block diagramm of the LHC-damper system
Система подавления предназначена для коррекции ошибок инжекции и ограничения роста эммитанса в течении всего рабочего цикла LHC. Вся система включает в себя 20 электростатических кикеров и 40 широкополосных усилителей. Каждый дефлектор запитывается двумя усилителями, работающими в режиме «push-pull». Технические параметры системы определяются следующими требованиями: Амплитуда сигнала между пластинами кикера составляет 7.5 кВ (ожидаемая средняя мощность на один тетрод – около 16 кВт). Полоса передачи полной мощности – от 1 кГц до 1 МГц. Равномерный спад характеристики с темпом 6 дБ/октава до 20 МГц. Частотная характеристика должна быть свободна от паразитных резонансов в полосе до 20 МГц. В качестве исполнительного устройства системы предполагается использовать электростатические дефлекторы (кикеры) (расстояние между пластинами 52 мм, на каждую координату работает 4 кикера длиной 1.5 м).
Дополнительные требования и особенности системы: В качестве прототипа системы был использован кикер и усилитель SPS (CERN), но требования на мощностные, амплитудные и частотные характеристики у LHC существенно выше. Размещение оборудования в тоннеле LEP-кольца (~22 км) определили специальные и очень жесткие требования на выделение оборудованием тепла, радиационные нагрузки и связанные с этим требования на выбор используемых материалов, запрет применения полупроводниковых компонентов и.т.д. Предстоял выбор основного и наиболее дорогого прибора усилителя - электронной лампы, т.к. промышленных приборов с требуемыми характеристиками не существовало. Все материалы и документация механической части системы, используемые для изготовления кикера (рабочий вакуум ), до производства, должны пройти экспертизу в CERN Документация должна быть исполнена в стандарте CERN и размещена в специализированном архиве (CDD) CERN. Перед началом производства документация на все элементы и модули системы должна пройти специальную экспертную процедуру (QAP) в различных службах проекта LHC (вакуум, геодезия, импеданс, энергетика, радиация, общая безопасность и надежность, и т.д.)
Разработка системы была начата в 1997 году с компьютерного анализа возможных вариантов реализации широкополосного усилителя. Для этогго была предложена и реализована методика моделирования (моделирование в среде SPICE ) мощных электровакуумных приборов. Результаты анализа сравнивались с экспериментальными данными, полуяченными на модели усилителя на базе тетродов ГУ-73. Достигнутая мощность составила 2 кВт, а амплитудно-частотная характерстика соответствовала расчетной.
Другими вариантами схемотехнического построения были предложены схемы с каскодныьм включением ламп и с каскодным включением и независимым управлением
Хорошие экспериментальные результаты, полученные на моделях мощных широкополосных усилителях, их соответствие с расчетными характеристиками определили выбор элементной базы для разработки полномасштабного усилителя Для реализации рабочего варианта усилителя фирмам SIEMENS и THOMPSON было предложено разработать и изготовить соответсвующий тетрод. В качестве усилительной лампы усилителя был выбран тетрод RS-2048 (SIEMENS) с водяным охлаждением. Основным условием выбора было создание модели (библиотечной) этой лампы для P-SPICE, на основе которой были проведены расчеты принципиальной схемы и был изготовлен вариант полномасштабного усилителя
В ЛФЧ ОИЯИ был создан специальный стенд на основе мощного высоковольтного оборудования (15 кВ, 6 А постоянного тока)
и стенд автоматизированной системы радиофизических измерений
Одновременно с разработкой усилителя проводятся работы по конструированию и изготовлению прототипа кикера
Изготовление опытного образца. Принимали участие: ЛФЧ ОИЯИ ЦЕРН (SL-Division) ОП ОИЯИ Савеловскиий станко-инструментальный завод Научно-производственное объединение Торий, г. Москва Фирма ООД ELSIEL София, Богария
Этапы производства
Simulated and measured gain and phase response of the power amplifier kicker assambly
СТАТУС ПРОЕКТА LHC Damper Документация на механическую часть передана в ЦЕРН (CDD) Идет подготовка к производству серии Ведутся работы по исследованию каскодной схемы (с использованием ламп RS2048). Эти работы рассматриваются коллаборацией как перспективный вариант модернизациии системы в соответствие с возникающими задачами коллайдерного режима. Кроме того, продолжаются работы по схеме каскодного усилителя с независмым управлением.