Facoltá di Ingegenria dell’Informazione, Informatica e Statistica Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica Design of a test-bench for the calibration of Beam Position Monitors of the ELI-NP Gamma Beam Source Daniele De Arcangelis Relatore Prof. Luigi Palumbo Correlatore Prof. Andrea Mostacci Controrelatore Prof. Frank Silvio Marzano

Design of a test-bench for the calibration of Beam Position Monitors of the ELI-NP Gamma Beam Source Produzione di Raggi Gamma Scattering Compton Infrastruttura per fisica nucleare ELI-NP (Extreme Light Infrastructure for Nuclear Physics) sita in Romania (Magurele) per produzione di raggi gamma Acceleratore lineare di elettroni (Linac) + Laser di potenza Ogni fotone ‘sonda’ lo spazio con dettagli dell’ordine della sua lunghezza d’onda e puo eccitare reazioni con energia pari alla sua frequenza. Per eccitare stati nucleari servono energie dell’ordine del MeV Indagini di fisica nucleare più accurate (incremento precisione della spettroscopia nucleare, nuova fisica nucleare, produzione di isotopi medicali, tomografia dei materiali radioattivi, etc…)

Stripline Beam Position Monitor (BPM) (Monitor di posizione del fascio) Calibrazione del BPM Misure sul BPM Conclusioni Calibrazione con il metodo del filo Metodo di Lambertson Design of a test-bench for the calibration of Beam Position Monitors of the ELI-NP Gamma Beam Source

Scattering Compton e produzione di Raggi Gamma Collision Il fascio di elettroni ad altissima energia (fino a 720 MeV) viene generato per mezzo di un Linac Fenomeno di Scattering interpretabile come un urto anelastico (si conserva la quantità di moto ma non l'energia cinetica) tra un fotone ed un elettrone Il processo è importante poiché è un metodo per generare fasci di fotoni ad alta energia (Raggi Gamma)

LAYOUT LINAC 720 MeV 280 MeV

Metodo di lavoro proposto Analisi del BPM Misure virtuali per la Calibrazione del BPM Metodo di Lambertson Calibrazione con il metodo del filo Simulazione con CAD Elettromagnetico HFSS per studio degli effetti sistematici prodotti da possibili non idealitá Misure metodo di Lambertson Conclusioni

Beam Position Monitor (BPM) Dispisitivo presente in ogni tipo di acceleratore di particelle Utilizzato per eseguire diagnostica del fascio di tipo non distruttiva Misurare il centro di massa del fascio che viaggia nella camera a vuoto di un acceleratore a partire dal campo elettromagnetico generato dal fascio stesso: Esistono diversi tipi di BPM, ad esempio BPM a cavità, BPM a bottone, BPM a stripline  Tracciare traiettoria del fascio  Eventualmente correggere la traiettoria

Beam Position Monitor a Stripline Dispositivo nel quale gli elettrodi responsabili della rilevazione del campo generato dal fascio sono costituiti da stripline opportunamente terminate Sono dispositivi utilizzati per monitorare fasci di particelle molto piccoli Hanno la caratteristica di essere direzionali  distinguere la direzione di propagazione dei fasci (caratteristica utilie nei collider, ad esempio) Devono essere opportunamente calibrati prima di essere installati in un acceleratore Modello HFSS

Modello teorico del BPM a stripline Utilizzo CAD per studiare il comportamento elettromagnetico del BPM Modello matematico per il BPM per comprendere le caratteristiche dei parametri di scattering ottenuti dalle simulazioni La struttura interna del BPM suggerisce quella di un accoppiatore direzionale opportunamente terminato

Modello teorico del BPM a stripline Parametri di scattering in trasmissione ricavati dal modello matematico: Presenza di notch nel comportamento in frequenza. dipende dalla lunghezza longitudinale delle stripline eventuali asimmetrie nella geometria trasversa presenti nelle stripline influenzano soltanto il valore massimo dei parametri di scattering

In letteratura è presente una relazione per S valida solo nel caso in cui le strip si trovino a filo con la camera a vuoto del dispositivo Sensibilitá ‘S’del BPM Parametro che caratterizza la risposta del BPM nell’intorno del suo asse Rappresenta la costante di proporzionalità tra lo spostamento del fascio e l’intensità del segnale generato dal fascio In pratica è legata alle caratteristiche geometriche del BMP Y X

Sensibilitá del BPM

Calibrazione del BPM Eventuali asimmetrie comportano la nascita di un offset tra centro meccanico e centro elettrico del BPM: per un BPM simmetrico centro meccanico e centro elettrico coincidono Necessario calibrare il BPM per poterne caratterizzare la risposta  utilizzo nel Linac Dispositivo la cui risposta é non lineare  legame tra segnale rilevato e posizione del fascio dipende dal punto in cui il fascio si trova a transitare Questa caratteristica è vera in generale, sia in assenza che in presenza di asimmetrie meccaniche del dispositivo il centro meccanico é il centro geometrico del cilindro che costituisce il BPM il centro elettrico é il punto all’interno del BPM nel quale un eventuale fascio ivi transitante genera un segnale uguale su tutte e quattro le stripline in presenza di asimmetrie centro meccanico e centro elettrico non coincidono per cui bisogna tenere in conto di questo offset al momento della ricostruzione della posizione del fascio

Metodi di Calibrazione del BPM Metodo di Lambertson  stima eventuale offset attraverso misure alle porte del BPM senza che sia presente un fascio di particelle Metodo del filo  caratterizzare la risposta non lineare del BPM e risalire ad un eventuale offset semplice da implementare, anche con BPM installato nell’acceleratore Elaborato da implementare La presenza del fascio all’interno del BPM viene simulata inviando un campo TEM nel BPM

Y X Metodo di Lambertson Calcolo di un eventuale offset presente tra centro meccanico e centro elettrico attraverso misure alle porte del BPM Non è necessario conoscere l’accoppiamento T ij tra gli elettrodi Caratterizzazione dell’offset mediante coefficienti g i legati ai parametri di scattering S ij del BPM

Metodo di Lambertson: simulazioni BPM simmetrico In assenza di asimmetrie osserviamo un offset costante con la frequenza e di valore pari a zero, salvo nell’intorno di alcune frequenze in cui l’andamento presenta delle singolaritá Le singolaritá cadono in corrispondenza dei notch dei parametri di scattering del BPM. Nell’intorno di queste frequenze f notch viene meno il principio fisico su cui si basa il metodo di Lambertson, quindi nell’intorno di tali frequenze non é possibile utilizzare questo metodo per risalire ad un eventuale offset La differenza tra valore simulato e valore teorico é da attribuirsi alla parte terminale del BPM che svolge il ruolo di carico reattivo che va a tunare la frequenza stessa

Metodo di Lambertson: simulazioni BPM asimmetrico In presenza di asimmetrie sulle stripline Spessore, Larghezza, Distanza con la camera l’offset diviene funzione non lineare della frequenza Rimanendo all’interno delle tolleranze meccaniche l’offset é dell’ordine delle decine di m Sono presenti singolarità sempre alle stesse frequenze f notch Le asimmetrie che generano effetti piú rilevanti sono quelle che interessano Spessore e Distanza con la camera

Metodo di Lambertson: misure sul BPM Il BPM in laboratorio presenta imperfezioni meccaniche troppo marcate per poter essere installato nel Linac Dalle misure è infatti emerso che: le stripline non sono a 50 le stripline non sono tutte uguali tra loro  Offset Effettuata realizzazione con tolleranze piú restrittive per l’installazione nel Linac

Metodo del Filo In ciascuna posizione in cui il filo viene posizionato vengono misurati con un Network Analyzer i segnali rilevati dagli elettrodi del BPM Il filo viene passato coassialmente al BPM e spostato di volta in volta in tutte le possibili posizioni del piano trasverso all’ asse del BPM Il fascio viene simulato inviando un campo elettromagnetico all’interno del BPM per mezzo di un sottile filo metallico opportunamente alimentato con un generatore di segnale

Metodo del Filo: Effetti Sistematici Valutare la presenza effetti sistematici nella misura dovuti alla presenza di non idealitá rispetto alla condizione di lavoro nell’acceleratore (situazione di riferimento) Le possibili cause di effetti sistematici che possono interessare la calibrazione eseguita con questo metodo sono: Mismatching tra segnale del filo e BPM in corrispondenza alle porte di interfaccia Port A e Port B Disallineamento tra il filo e l’asse del BPM Sezione del filo

Metodo del Filo: Ricostruzione Posizione Attraverso i segnali misurati si ricostruisce la posizione del filo all’interno del BPM Il comportamento non lineare del BPM  procedura che permetta di ricostruire la posizione del filo a partire dai segnali misurati A seconda dell’applicazione si deve utilizzare un’opportuna procedura di ricostruzione In particolare abbiamo utilizzato il metodo dei minimi quadrati dove:

Metodo del filo: ricostruzione lineare Nel Linac di ELI viene impostato un unico coefficiente per tutti i BPM per ricostruire la posizione del fascio (Sensibilitá) Una ricostruzione al primo ordine (M=1) mette in luce un comportamento non lineare della risposta Solo in un intorno dell’origine una ricostruzione di questo tipo permette un’accuratezza della misura accettabile

Metodo del filo: ricostruzione di ordine superiore In particolare riportiamo il caso di ordine 5 (M=5) Con una ricostruzione più elaborata viene migliorata l’accuratezza della misura su tutta l’area interna al BPM L’accuratezza della misura migliora al crescere dell’ordine M del polinomio Questo tipo di ricostruzione è utile per misure su fasci di particelle la cui orbita si trovi distante dall’asse del BPM (ad esempio nei Collider)

Metodo del filo: Analisi Effetti Sistematici Dalle analisi effettuate per lo studio degli effetti sistematici dovuti a non idealitá rispetto alla situazione di riferimento risulta che: in generale non alterano la ricostruzione della posizione l’allineamento del filo è l’aspetto che deve essere curato maggiormente rispetto agli altri

Conclusioni (1/2) Modellizzazione del BPM con CAD elettromagnetico e modello matematico Presenza di notch nell’andamento in frequenza dei parametri di scattering in trasmissione del BPM funzione della lunghezza delle stripline Eventuali asimmetrie geometriche alterano il valore massimo dei parametric di scattering in trasmissione ma non la frequenza dei notch Formula Sensibilità Metodo di Lambertson per determinazione dell’offset: Presenza di singolaritá nell’offset dovuto alla presenza di notch nei parametric di scattering Offset non dipende dalla frequenza se il BPM é perfettamente simmetrico In presenza di asimmetrie l’offset è funzione non lineare della frequenza Studio Calibrazione

Calibrazione del BPM con il metodo del filo Conclusioni (2/2) Studio di effetti sistematici sulla misura dovuti a non idealitá: Mismatching tra campo del filo e BPM Disallineamento del filo Sezione del filo Le non idealitá studiate non inficiano sulla ricostruzione della posizione E’ possibile eseguire la calibrazione con il metodo del filo mediante procedura automatica (eventualmente uso del Laser Tracker per allineamento del filo)

Grazie per l’attenzione