[論文レビュー] Introduction to Machine Protection

R. Schmidt|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2016

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 7被引用数 26

ひとこと要約

この論文は、高エネルギー加速器における機械保護システムについて包括的な概要を提供し、インターロックシステム、ビームモニタリング、緊急ビームダンピングを通じてビームおよび装置の安全性を強調している。蓄えられたビームエネルギーに起因する深刻なリスク、例えば1ビームあたり360 MJのエネルギーを有する2008年のLHC磁石故障のような事例を挙げ、実際の事故から得た教訓を基に、前もってリスクを低減し、故障分析を行うことで、破壊的損傷を防ぐ戦略を提示している。CERNや他の施設での事故を踏まえたものである。

ABSTRACT

Protection of accelerator equipment is as old as accelerator technology and was for many years related to high-power equipment. Examples are the protection of powering equipment from overheating (magnets, power converters, high-current cables), of superconducting magnets from damage after a quench and of klystrons. The protection of equipment from beam accidents is more recent, although there was one paper that discussed beam-induced damage for the SLAC linac (Stanford Linear Accelerator Center) as early as in 1967. It is related to the increasing beam power of high-power proton accelerators, to the emission of synchrotron light by electron-positron accelerators and to the increase of energy stored in the beam. Designing a machine protection system requires an excellent understanding of accelerator physics and operation to anticipate possible failures that could lead to damage. Machine protection includes beam and equipment monitoring, a system to safely stop beam operation (e.g. dumping the beam or stopping the beam at low energy) and an interlock system providing the glue between these systems. The most recent accelerator, LHC, will operate with about 3 x 10$^{14}$ protons per beam, corresponding to an energy stored in each beam of 360 MJ. This energy can cause massive damage to accelerator equipment in case of uncontrolled beam loss, and a single accident damaging vital parts of the accelerator could interrupt operation for years. This lecture will provide an overview of the requirements for protection of accelerator equipment and introduces various protection systems. Examples are mainly from LHC and ESS.

研究の動機と目的

• 高出力ビームおよび蓄えられたエネルギーを有するシステムに特化した、加速器の機械保護に関する包括的な教育的資料の不足に対処すること。
• 高エネルギー加速器におけるビーム損失、装置損傷、運用上の故障に関連する技術的リスクを特定し、分析すること。
• 実際の事故事例と運用経験に基づいて、効果的な機械保護システムの設計フレームワークを提供すること。
• インターロックシステム、ビームモニタリング、緊急ビームダンピングが破壊的故障を防ぐ上で重要な役割を果たすことを強調すること。
• 過去の事故とニアミスの分析を通じて、将来の加速器プロジェクトにおけるリスク低減戦略の開発を支援すること。

提案手法

• SLAC、SPS、Tevatron、LHC を含む加速器の歴史的ビーム損失および装置損傷事故を分析し、保護の原則を導出する。
• LHCの1ビームあたり360 MJのビームエネルギーを、制御不能なビーム損失に起因する被害の評価基準として用いる。
• インターロックシステムがビームモニタリング、ビームダンプシステム、装置保護を結びつける中心的な役割を果たすという概念を導入する。
• アクティブ保護（リアルタイムのモニタリングおよびビーム遮断）とパッシブ保護（ビーム吸収体、コリメータ、耐久性の高い部品設計）を区別する。
• 故障モード分析を用いて、誤作動したキッカー磁石、誤った磁石電流、真空漏れなどの重要な故障点を特定する。
• 蓄積エネルギーの指標を用いてビーム損失の影響を評価し、1 J（超伝導磁石のクエンチ）から300 MJ以上（LHC 2008年事故）の範囲をカバーする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビーム損失や装置故障によって高エネルギー加速器に損傷を引き起こす主な物理現象は何か？
• RQ2 蓄えられたビームエネルギーとビームパワーは、LHC のような加速器における破壊的損傷のリスクをどのように高めるか？
• RQ3 現代の加速器における効果的な機械保護システムの主要な構成部品と設計原則は何か？
• RQ4 2008年のLHC磁石電源事故のような過去の事故は、将来の保護システム設計にどのように影響を与えるか？
• RQ5 インターロックシステム、ビームモニタリング、緊急ビームダンピングは、ビーム誘発損傷を防ぐまたは緩和するために果たす役割は何か？

主な発見

• 2008年のLHC磁石電源事故は、不良な接続部とそれに起因するヘリウム圧力波によって発生し、53個の磁石を損傷させ、14か月間の運用停止を引き起こした。
• LHCは通常運転時、1ビームあたり約360 MJのエネルギーを蓄えているが、これが制御不能に放出されると、甚大な損傷を引き起こす可能性がある。
• 低出力ビーム、例えばCERN-LINAC4の3 MeVビームですら、繰り返し部品に当たることで、深刻な損傷、たとえば真空漏れを引き起こす可能性がある。
• ビームが14分間、誤って315 GeVに設定された静電界分離器に当たったことで、UA2シリコン検出器にビーム誘発損傷が生じた。
• アクティブ保護が失敗したような超高速のビーム損失イベントに対処するには、ビーム吸収体やコリメータなどのパッシブ保護機構が不可欠である。
• 事故に起因するビームエネルギーの蓄積量は、1 J（超伝導磁石のクエンチ）から300 MJ以上（LHC 2008年事故）にまで達するため、頑丈な保護システムの構築が不可欠である。