Development of Radiation-tolerant Components for the Quench Detection System at the CERN Large Hadron Collider

This works describes the results of a three year project to improve the radiation tolerance of the Quench Protection System of the CERN Large Hadron Collider. Radiation-induced premature beam aborts have been a limiting factor for accelerator availability in the recent years. Furthermore, the future upgrade of the Large Hadron Collider to its High Luminosity phase will further increase the radiation load and has higher requirements for the overall machine availability. Therefore equipment groups like the Quench protection groups have used the last years to redesign many of their systems to fulfill those requirements. In support of the development of radiation-tolerant systems, several proton beam irradiation campaigns were conducted to determine the inherent radiation tolerance of a selection of varied electronic components. Using components from this selection a new Quench Protection System for the 600 A corrector magnets was developed. The radiation tolerance of this system was further improved by developing a filter and error correction system for all discovered failure modes. Furthermore, compliance of the new system with the specification was shown by simulating the behavior of the system using data taken from the irradiation campaigns. The resulting system is operational since the beginning of 2016 and has in the first 9 months of operation not shown a single radiation-induced failure. Using results from simulations and irradiation campaigns the predicted failure cross section for the full new 600 A Quench Protection System is 4.358 ± 0.564 * 10^-10 cm2 which is one order of magnitude lower than the target set during the development of this system.

Diese Arbeit beschreibt die Ergebnisse von drei Jahren Bemühungen die Strahlentoleranz des Quench Protection Systems am CERN Large Hadron Collider zu verbessern. Strahlungsinduzierte vorzeitige Strahlabbrüche waren ein limitierender Faktor für die Beschleunigerverfügbarkeit in den letzten Jahren. Darüber hinaus wird das zukünftige Upgrade des Large Hadron Collider auf seine High Luminosity-Phase die Strahlungsbelastung weiter erh öhen und höhere Anforderungen an die gesamte Maschinenverfügbarkeit haben. Aus diesem Grund haben Gerätegruppen wie die Quench-protection Gruppe die letzten Jahre genutzt, um viele ihrer Systeme neu zu gestalten, um diese Anforderungen zu erfüllen. Zur Unterstützung der Entwicklung strahlentoleranter Systeme wurden mehrere Protonenbestrahlungskampagnen durchgeführt um die inhärente Strahlungstoleranz einer Auswahl von verschiedenen elektronischen Komponenten zu bestimmen. Mit Komponenten aus dieser Auswahl wurde ein neues Quench Protection System für die 600 A Korrekturmagnete entwickelt. Die Strahlungstoleranz dieses Systems wurde weiter verbessert, indem ein Filter- und Fehlerkorrektursystem für alle erkannten Fehlermoden entwickelt wurde. Darüber hinaus wurde die Übereinstimmung des neuen Systems mit der Spezifikation gezeigt, indem das Verhalten des Systems unter Verwendung von Daten aus den Bestrahlungskampagnen simuliert wurde. Das daraus resultierende System ist seit Anfang 2016 in Betrieb und hat im ersten 9-Monatsbetrieb keinen einzigen strahlungsinduzierten Ausfall gezeigt. Mit den Ergebnissen von Simulationen und Bestrahlungskampagnen beträgt der vorhergesagte Ausfallquerschnitt für das neue 600 A Quench Protection System 4.358 ± 0.564 * 10^-10 cm2 was um eine Gröÿsenordnung niedriger ist als das Ziel, das während der Entwicklung dieses Systems gesetzt wurde.