Monitoring and Control System of the TOP- IMPLART accelerator Comunicazione ENEA C.R. Frascati Bazzano G., Ampollini A., Nenzi P., Picardi L., Ronsivalle C., Surrenti V., Vadrucci M. ENEA C.R. Casaccia Snels C. 101° Congresso Nazionale – Società Italiana di Fisica – Roma – 24/09/2015

Outline Il progetto TOP-IMPLART Scopo e descrizione dell’acceleratore Status dell’acceleratore Layout attuale Sistemi di misura e monitoraggio in uso per il commissioning della sezione SCDTL Evoluzione del sistema di controllo Acquisizione di nuova diagnostica non intercettiva Implementazione LLRF & Control Unit locali 101° SIF 24/09/2015

IL PROGETTO TOP-IMPLART 101° SIF 24/09/2015

Facility di protonterapia Full LINAC 425 MHz – 7 MeV 101° SIF 24/09/ moduli 3 GHz – 35 MeV N moduli 3 GHz – > 65 MeV Obbiettivi : Trattamenti con scanning attivo Modulazione intensità e energia spill per spill Compattezza Modularità 1 tipo di Klystron (TH2157A – 10 MW)

STATUS DELL’ACCELERATORE 101° SIF 24/09/2015

Layout attuale (in ENEA Frascati) 101° SIF 24/09/2015 SCDTL1 operativo da giugno 2014 In corso commissioning di SCDTL 2: Raggiungimento della trasmissione ed energia di progetto Verifica con fascio dell’ allineamento delle strutture In attesa di installazione SCDTL3 1 Klystron TH2090 per 4 SCDTL : Caratterizzazione sistema di distribuzione di potenza RF

Sistemi di misura e monitoraggio per il commissioning delle strutture SCDTL 101° SIF 24/09/2015 Caratterizzazione del fascio in uscita dalle strutture con una diagnostica non integrata nel sistema di controllo perchè non definitiva (Test bench) Test bench composto da Faraday cup con assorbitori variabili di alluminio (per misura spettro energetico) Rivelatore in allumina con telecamera (misura di posizione e dimensione) C.Ronsivalle et al. - First acceleration of a proton beam in a side coupled drift tube linac - EPL, 111 (2015) 14002

Schema RF per la sezione SCDTL 101° SIF 24/09/2015 Riblet SCDTL1 1.3 MW SCDTL MW SCDTL3 1.8 MW SCDTL MW La ripartizione della potenza RF in 4 rami differenti è ottenuta tramite Un power divider variabile (-0.1 ÷-30 dB) di Mega Industries Un regolatore di fase di Mega Industries Due split di tipo riblet realizzati da ENEA Lungo tutta la linea sono installati accoppiatori direzionali (-55/-60 dB) calibrati per la misura della potenza RF diretta e riflessa. Ogni struttura SCDTL è inoltre dotata di un pick-up per la misura del campo in cavità

UPGRADE DEL SISTEMA DI MONITORAGGIO E CONTROLLO 101° SIF 24/09/2015

Acquisizione nuova diagnostica intertank e realizzazione steering miniaturizzato 101° SIF 24/09/2015 Sostituzione della faraday cup intertank con un monitor non intercettivo & correttore a magneti permanenti AC Current Transformer (Bergoz) ingombro longitudinale 20 mm Correttore Ferro + PM a posizione variabile (θ ≈ 3 mrad) ingombro longitudinale < 10 mm

Loop di controllo RF per la sezione SCDTL 101° SIF 24/09/2015 V. Surrenti et al. - RF system design for the TOP-IMPLART accelerator – Proceedings IPAC (2015) MOPH047 LLRF Ripartizione della potenza del klystron su 4 strutture rispettando le specifiche di ampiezza e fase: ± 2% (ampiezza) ; ± 2°(fase) agendo su Power Balancer, Phase Trimmer e Riblet Sistema embedded su PXI-express 8135 RT MCU Ogni struttura SCDTL è mantenuta alla frequenza di risonanza da un loop di controllo che aziona il motore del tuner compensando le derive termiche. Qload : 3500 ÷ 5000 → Stabilità in frequenza entro ±10 kHz Due loop indipendenti:

SCDTL Monitoring and Control Unit (MCU) 101° SIF 24/09/2015 E’ stata commissionata ad NRT R&D la realizzazione di un sistema di controllo modulare per le strutture SCDTL: Controllo Automatico della Frequenza (AFC) per la sintonia della struttura basato su elettronica già sviluppata per IORT Controllo del sistema termostatazione (chiller) Rilevazione della temperatura in più punti della struttura Controllo delle pompe ioniche Rilevazione degli inviluppi di: Potenza diretta, potenza riflessa e campo nella cavità Integrazione con il sistema degli interlock e delle sicurezze dell’acceleratore L’unità è pensata per essere inserita al di sotto del carrello che ospita la struttura SCDTL al di sopra del chiller L’MCU include tutti i controlli relativi ad una struttura SCDTL e la rende un sottosistema autonomo dal punto di vista del monitoraggio e controllo

Architettura master-slave su backplane passivo La connessione tra schede avviene mediante bus RS485 su backplane Il sistema è espandibile permettendo l’alloggiamento di ulteriori schede per incrementare le funzionalità (7 schede massimo) Ciascuna scheda è dotata di un microcontrollore per l’acquisizione dei dati e la comunicazione con l’unità master ed è indipendente dalla scheda master per le proprie funzionalità Una scheda slave gestisce l’interfaccia utente locale e le interfacce di comunicazione La comunicazione verso il sistema di controllo avviene mediante MODBUS su ethernet e mediante bus RS ° SIF 24/09/2015 Architettura della MCU

Completate queste attività di commissioning e caratterizzazione del sistema prevediamo nei prossimi mesi di avviare l’upgrade del sistema: Avvio della costruzione della sezione SCDTL4 Sviluppo del firmware MCU & test di funzionamento Realizzazione prototipo correttore a magnete permanente Test sistema embedded LLRF Installazione ACCT nelle sezioni intertank 101° SIF 24/09/2015 Prossime attività Grazie per la vostra attenzione!

101° SIF 24/09/2015 Controllo della frequenza di risonanza Il controllo della frequenza di risonanza per le strutture SCDTL avviene in 2 step: Raggiungimento della temperatura corrispondente alla frequenza di lavoro ( MHz) con un sistema di termostatazione (chiller) che lo limita entro < 1 ⁰C (in banda S Δf ≈ 50 kHz/ ⁰C) Individuazione dei set-point di lavoro del chiller per ogni struttura Il chiller al momento garantisce per la SCDTL1 un Δf ≈ 35 kHz Correzione delle residue oscillazioni di frequenza tramite l’azionamento del tuner meccanico pilotato dal segnale risultante dall’ opportuno inviluppo dei segnali di diretta e riflessa che risulta, per scostamenti non troppo grandi dalla risonanza, direttamente proporzionale a Δf. Sulla SCDTL 1 è stato misurata la capacità di correzione del tuner, pari a 70 kHz Posizione tuner (u.a.) Frequenza (MHz)