11/30/2015

1

Moderne acceleratorers fysik og anvendelse 2015

Forelæsning 9b

Diagnostik

Diagnostik er en accelerators ”øjne og ører”

En accelerator er ikke bedre end dens diagnostik

Diagnostik findes i mange varianter og afskygning

Umuligt at gå i detalje med alting

Diagnostik

11/30/2015

2

Fluorescerende skærme

• Meget udbredt

– Plade påsmurt et fluores-

cerende materiale køres ind

og ud af beamet

– Giver intensitet, position og

beamstørrelse

– Meget visuel

• Kvantitativ via framegrabber

(digital kamera)

• Kan have problemer med

mætning

– Destruktiv

– Bruges ofte

• Lineære maskiner

• transfer beamlines

• til indkøring af

synkrotroner

Optical Transistion Radiation (OTR)

• Når en ladet partikel krydser

en grænse mellem to

forskellige brydningsindeks

udsendes lys

• Lyset udsendes i en konus

med 1/

• Bruges kun hvor >>1

– F.eks. SR ringe (elektroner)

og deres injektors

• Ikke så følsom, men mætter

ikke!

• Man skal være mere

omhyggelig med alignment

11/30/2015

3

• MEGET brugt til strømbestemmelse

– specielt til transferlines (lav-energi)

– Destruktiv

• Med et følsomt

amperemeter

kan man måle fA

Faraday cup

• ’Opfange’ spejlladningerne i vakuumkammeret

• Mere ’prof’ har man

en ordentlig skærm for at skærme mod ind- og udstrå-

ling af EM-bølger

(med ferritringe til at sænke den

nedre cut-off frekvens)

Wall-Current monitor

11/30/2015

4

Beam Transformer (Current Transformer)

• Puls gennem ferritkerne giver

puls i sekundær vindingerne

• Med en simpel spole ses blot den afledte af strømmen

• Adderer modstand og kapacitet

• Får nu pulsen (med en vis

rise-time og droop-time)

• Ser kun AC

– Baseline skifter

• Kun pulseret beam

– Båndbredder op til 2 GHz

• Risetime: ~200 ps

– Droop: ~1%/µs

– Følsomhed : ~1 mA (nemt)

• Bruges i transfer beamlines, og boostere (ringe)

til optimering af injektion (og ekstraktion)

Beam Transformer 2

)()( tItU beamout

11/30/2015

5

• For at måle DC strømmen bruges en DCCT

• DC strømmen vil oftest være den mest vigtige enkelt parameter

DC Current Transformer (DCCT)

Eksempler

• Bergoz NPCT (en DCCT)

• Bergoz FCT (Fast Current Transformer)

• Følsomhed:

~5 µA/sqrt(Hz)

• Ranges: 20 mA,

200 mA, 2 A, 20 A

• Frekvensrespons

op til ~10 kHz

11/30/2015

6

Levetid

• Partiklerne tabes over tid af forskellige grunde

– Stød med restgassen

– Indbyrdes stød (Touschek spredning)

– Store energi afvigelser via udsendelse af synkrotron stråling

• Oftes (lokalt) eksponentiel henfald

• Hvis levetiden varierer kan man lave lokalt fit

Position pickups - ioner

• Diagonal skåret ’skotøjsæske’

Sum signal

fra ELISA

(3 omgange)

Kan se få nA (med midling)

Shoebox type

11/30/2015

7

Button Pickups

• Standard for elektron ringe til BPM (Beam Position Monitor)

• 4 ’knapper’ anbragt symmetrisk omkring beamet

• Relativt nemt få sub-µm præcision

• Kun lineær tæt omkring centeret

• Kalibrerer centeret vha. nærtsiddende Qpol

4321

4321

UUUU

UUUUkX x

4321

4321

UUUU

UUUUkY y

Button Pickups 2 – Udlæsning (gammeldags)

11/30/2015

8

Button Pickups 3 – Nyere Udlæsning (Libera)

• Måler på 4. RF harmoniske

(418.8 MHz)

• Sample frekvens: 98.4 MHz

(undersampling)

• Alias frekvens: 26.2 MHz = 4*frev

Placering af pickups

• For positionbestemmelse til orbit korrektion

– Bør sidde hvor beta er stor

– Bør have 4 pickups per betatronsvingning

• Npickups>=4*Q

• I praksis vælges så det passer med symmetrien

11/30/2015

9

Striplines

• Meget følsom pickup

– Retningsfølsom

• Også meget effektiv til eksitation af beamet

• Dyrere end button pickup (derfor ikke 100’vis på en ring)

Synkrotron Stråling

• Synkrotron strålingen kan afbilledes på et kamera og

give megen information om beamet

– Position

– Beamstørrelser

• emittans

– Intensitet

– Instabiliteter

• ”Ganske gratis”

11/30/2015

10

Tune måling

• Med måling et sted kan man

kun måle fraktionen indenfor 0.5

• Kan måle ved brug af resonant

eksitation eller ved impuls eksitation

(hurtigt kick)

• tilsvarende målinger af synkrotron

frekvensen

Måling af optiske parametre

• Dispersion:

• Det er let at vise at

• Betafunktionen i en Q-pol: Varier k

• Chromacitet: Mål Q for forskellige Δp/p

1% 2%

Qpol shunt

11/30/2015

11

Emittansmåling

• Mål beamstørrelsen 3 (passende) steder

– Hvis man ved hvordan beamstørrelsen burde udvikle sig kan

man beregne emittansen

• Alternativ til 3 steder: Mål for 3 forskellige Q-pol settings

– Q-pol scan

ASTRID2 diagnostik

RF Cavity w. IonpumpValve

BPMStripline

DCCTViewer

Ionpump

Valve

BPM

BPM

SR camera

Bumper

Bumper

Bumper

Dual Stroke ViewerFCT (Fast Current Transformer)

StriplineBPM

Septum

SR camera

BPM

BPM

BPMBPM

BPM

BPM

BPM

BPM

BPMBPM

3.0 m

Ikke endelig placering Bemærk 4 BPM per girder

Qh=5.185, Qv=2.140

11/30/2015

12

ASTRID2 transfer beamline diagnostik

Qpol

Qpol

Qpol

Qpol

V magnet

V magnet

V magnet

V magnet

H magnet

ValveViewer

HV corrector

Ionpump/gauge

HV corrector

Camera

Camera

Camera

Camera

Camera

Current Transformer

Ionpump/gauge

Current Transformer

Current TransformerIonpump/gauge

Viewer

Valve

HV corrector

Current Transformer

10

.0 m

Ikke endelig placering

11/30/2015

13

ekstra materiale

Beam Loss Monitor

• Mange typer

– Ioniseringskammer

– Scintillator + fotomultiplier

– Pindiodes

• Placeres rundtomkring så man kan

bestemme hvor beamtab forekommer

• Mere følsom end f.eks. DCCT’en

• Kræver høj-energetiske partikler

Bergoz Pin diode BLM

11/30/2015

14

Skraber målinger

• Hvis man kører en skraber ind i beamet og moniterer

strømmen, kan man bestemme emittansfordelingen

– Husk at partiklerne udfører betatron svingninger frem og tilbage

med en maksimal amplitude

• Betragt en enkelt partikel i en lagerring

• Mange partikler med (lidt) forskellig omløbsfrekvenser

• Giver også signal for coasting (DC) beams pga. statistiske

fluktuationer

– Antallet af partikler indenfor en givet længde vil variere med N

• Kan bruges både longitudinalt og transversalt

Schottky Scans

11/30/2015

15

Schottky måling

• På GSI, Darmstadt bruger man Schottky målinger til at

bestemme massen af sære, sjældne atomkerner

Secondary-Emission Monitor (SEM)

• Måler strømmen væk fra et folie eller en tråd pga sekundær

elektronudsendelse

• Med mange tråde kan man måle en profil

11/30/2015

16

Wire-scanner

• Ofte kan man ikke have en tråd inde i beamet i ret lang

tid pga. beamdestruktion

• Derfor bruger man en hurtig flyvende tråd

• Kan måle enten strømmen direkte eller sekundære elektroner

Multi-Wire Chamber

• Beamet ioniserer gassen. Elektronerne opfanges af trådene, og

måles

• Meget stor dynamisk område (ændre gastrykket)

• Reference detektor for Partikel Terapi beams

– Position og intensitet • Vigtigt for præcist at kunne ramme tumoren

11/30/2015

17

Ioniseringskammer

• Beamet ionisere en gas. Kan igen måle strømmen.

• Meget følsom detektor

• Beam Loss Monitor

Gas Curtain

• Noget specielt ting

• Elektroner fra gasjet’en accelereres til en scintillator, og

kan så fotograferes

11/30/2015

18

Residual-Gas Monitor

• Det tyndeste target er blot restgassen