E. Basile, E.Cisbani, F. Ghio, S. Frullani e G. Vacca Frascati, 18 Marzo 2014 Stato Camera Monitor E. Basile, E.Cisbani, F. Ghio, S. Frullani e G. Vacca S.Colilli, G. De Angelis, M.Gricia, F. Giuliani, M. Lucentini, F. Santavenere, A.Spurio 1 1 1

Beam monitor system requirements and specifications for the TOP-IMPLART LINAC The on-line beam monitor must provide: Real-time measure of beam parameters (position, intensity profile, direction/emittance) Quick response (faster than beam pulse period) Feedback information to correct small deviation from the planned therapeutic treatment Automatic shutdown irradiation in case of large (not recoverable) deviation from planned parameters High reliability Dedicated Electronics 2 2 2

The ionization chamber The TOP-IMPLART monitor system is based on 2D segmented ionization chamber driven by a dedicated front end electronics, with a dual range logic The chamber operates in ionization region and has the following characteristics: GAP between anode and cathode: 2mm Anode and cathode ACTIVE AREA: 7x7cm2 ANODE: Al (5μm) CATHODE: Kapton (50 μm) with PADs in Cu (15 μm) on the beam incidence side and STRIPs in Cu (15 μm) on the other side PITCH: 875 μm (final target 400 m) Gap between pad: 120 μm CHANNELS: 80 x 80 BIAS: 300 V WET: 0.017 cm Foil produced by R. De Oliveira at TS-DEM, CERN 3 3 3

The readout electronics Based on a “dual range” trans-impedance amplifier with “sample and hold” mechanism (able to ensure an adequate charge dynamic range and sensitivity). The readout electronics prototype controls 64 channels (but it is possible cascade several backplanes) and consists of: 4 front-end cards (1 card/16 channels), made of 2 two main blocks: the input stage with the trans-impedance amplifier and dual range logic the multiplexing logic that route the collected charges into a single ADC a passive backplane which provides power supply and distributes the signals between front-end and controller 4 4 4

The ionization chamber and the electronic system of the beam monitor No glue – o-ring for gas tightness Problema: disaccoppiare risposta camera da risposta elettronica! Readout Electronics 5 5 5

Misure effettuate - Rumore (piedistalli) in differenti condizioni - Misure di laboratorio (su elettronica con segnali di calibrazione) - Misure di corrente leakage (sulla camera con picoamperometro) - Sorgentina (90Sr) HV, Distanza, Fronte/Retro, Tempo di Gate, con canali raggruppati - Fascio di elettroni HV, Intensità (passiva), Posizione, Forma (collimatori) 6

Misure sull'elettronica: Dual Regime performance Range Transition (one bit store this information) Influence of current source instability Input dynamic range larger than 104 (from about 2 pC to tens of nC) Relative sensitivity less than 3% (minimum absolute sensitivity of 70 fC) 7 7 7

Misure sulla cameretta: corrente di leakage La differenza tra la corrente di leakage con e senza la sorgentina di 90Sr è maggiore all'aumentare della tensione applicata La camera sta funzionando! 8

Carica in x e in y vs High Voltage Sorgente frontale (~14 cm) ch 22 e 27 - Tempo gate ~1s Prima evidenza del funzionamento della camera+elettronica (seppure in condizioni di readout fuori specifica) 9

Caratterizzazione mediante fascio di elettroni da 5 MeV 10 10 10

Carica vs HV La carica aumenta all'aumentare della tensione ed è tale da provocare il cambio portata per tensioni maggiori di 200 V

Valor medio adc ed RMS medio al variare dell'intensità L'intensità del fascio viene fatta diminuire passivamente interponendo plexiglass di spessore crescente 12

Fenditura verticale → carica in x Px=35000 Px=0 Px=50000 Px=65000 Px=75000 Px posizione orizzontale della camera che si muove rispetto alla fenditura Strip X-> Strip Y-> ~2,5 pC/cm2 La fenditura lascia passare il fascio in corrispondenza della zona attiva della camera, producedo un picco; lo spostamento orizzontale della camera fa “muovere” il picco in x 13

con taglio orizzontale -> carica in y Mantello di piombo con taglio orizzontale -> carica in y Py=130000 Py=250000 Py=330000 Py=259000 Py=370000 Py posizione verticale della camera che si muove rispetto al mantello di piombo Strip X-> Strip Y-> Camera scoperta Camera parzialmente coperta dal mantello di piombo Camera quasi totalmente coperta 14

Problemi “pratici” risolti - E' stato ripristinato il contatto dell'alta tensione nella camera. - Tutti i componenti sono stati protetti da sbalzi di tensione mediante stabilizzatori - Alcuni bug nei software di acquisizione e di elaborazione dei dati (scrittura/lettura dei file e mappatura dei dati) sono stati individuati e risolti - Il sistema di movimentazione è stato ripristinato, funziona anche da remoto e può essere programmato (anche se il magnetron alle volte crea disturbo) 15

Stato - Dimostrato il funzionamento della camera (ora si passerà alla caratterizzazione) - Tutti i tool (sw e hw) in larga misura sotto controllo

Piano di lavoro nell'immediato - Aggiunta elettronica a camera (altre 2 schede) Attualmente ci sono 2 schede in x e 2 in y, che permettono la lettura di 64 (32 + 32) canali della cameretta. Intendiamo aggiungere almeno altre 2 schede (già in nostre mani) per coprire più canai possibile → da 25x25 a circa 38 x 38 mm2 - Postazione stabile per computer analisi Installazione nuovo (e potente) computer desktop per analisi (già pronto in ISS); necessità di una postazione stabile, anche lontano da sala fascio, ma collegata in rete con VME. Questo permetterà, tra l'altro: Registrazione real time dei dati aquisiiti Analisi online su desktop in quasi real-time - Misure sistematiche con linac, ora che il fascio di elettroni è stabile: Misure di rumore, dobbiamo ridurlo! Misure sistematiche variando intensità del fascio e HV camera in modo da caratterizzare la risposta della camera Misure con fascio “puntiforme” - 17

Piano di lavoro a breve termine (~6 mesi) - Sostituzione logica VME (e ADC) con elettronica integrata (FPGA ?) In futuro il modulo VME timer-pulser che genera i segnali necessari all'acquisizione (CLEAR, CLOCK, SERIAL IN, GATE) e che è un pò deteriorato deve essere sostituito (FPGA?) Allestimento seconda camera Abbiamo già componenti meccanici che vanno assemblati - Misure su protoni (?) A tal proposito abbiamo effettuato dei calcoli, al variare dell'energia dei protoni incidenti, sull'energia persa dai protoni nella cameretta e sulla carica prodotta nel gap (next slide) 18

Valutazione del rilascio di energia del fascio di protoni nella cameretta Carica totale prodotta nella cameretta per impulso Possibile mismatch tra parametri protoni e specifiche di progetto della camera Limite superiore critico! 19

GRAZIE PER L'ATTENZIONE 20