Acquisizione con il Misuratore di Emittanza

Il metodo per determinarla è basato sulla misura del profilo di fascio in determinate condizioni; tuttavia non è importante quale sia il metodo utilizzato per misurarla, a patto che questo abbia una risoluzione adeguata. Le possibilità di misura anche in questo caso sono diverse, e dipendono dal tipo di acceleratore utilizzato (Linac, sincrotrone, … ).

Il tipo di misuratore scelto e realizzato all'interno del progetto SPES è un apparecchio di tipo fessura-griglia (slit-grid), in cui la coordinata spaziale viene fissata da una apertura, mentre viene misurato l'angolo delle particelle. Questo metodo è abbastanza popolare per i Linac con protoni o ioni pesanti in cui le profondità di penetrazione sono minori di 1 cm.

L'apertura x viene fissata da un collimatore, perpendicolare alla traiettoria del fascio, avente una fessura di 0.1-0.5mm. L'angolo x' invece viene determinato con una griglia metallica posta ad una distanza che va da 10cm ad un metro, a seconda della velocità degli ioni. Leggendo quindi la corrente che va a depositarsi su ciascuno dei fili, si riesce ad interpretare l'angolo della traiettoria con cui le particelle stanno attraversando la fessura, partendo dal presupposto che in uno spazio privo di campi le traiettorie delle particelle sono linee rette.

Nel nostro caso il collimatore è dotato di una fessura con apertura di 0.1mm ed è posto a 30 cm di distanza dalla griglia.

Figura 4.6 – Schema di un apparecchio di misura dell'emittanza di tipo fessura-griglia

Figura 4.7 Sistema Fessura-Griglia del progetto SPES. (collimatore con fessura a sinistra, griglia di fili sulla scheda a destra)

Il contributo al grafico dell'emittanza è dato dalla distribuzione angolare ad ogni posizione della fessura. Il collimatore viene quindi fatto scorrere lungo il fascio per ottenere tutte le posizioni interessate. Al termine della scansione completa può essere visualizzato il grafico dell'emittanza e dai dati si può calcolare il valore dell'emittanza rms; inoltre si interpola una forma ellittica comprendente una certa percentuale del fascio e da questa interpolazione si ricavano i parametri di Twiss.

Un esempio è dato dal seguente grafico, ottenuto con un fascio di ioni a bassa energia ottenuto presso il CERN di Ginevra.

Figura 4.8 Esempio di misura dell'emittanza ottenuta con un fascio di ioni a bassa energia

Questo metodo tuttavia può determinare distribuzioni di spazio e fase ben diverse ed articolate, non solo gaussiane (un chiaro esempio è dato dall'immagine precedente). Vicino alla sorgente di ionizzazione succede di frequente di avere distribuzioni abbastanza particolari, a causa delle ampie forze in spazio di carica o della larghezza del profilo, dove le aberrazioni dei magneti iniziano ad influire sul fascio.

La risoluzione per le coordinate spaziali ∆x è limitata dalla larghezza della

fessura ∆x=dslit. La risoluzione angolare ∆x', misurata alla distanza d, è data

dal raggio del filo rwire e dalla larghezza della fessura, risultando ∆x'=(dslit + 2rwire)/d. La dimensione degli elementi discreti nello spazio di fase è data dal

prodotto ∆x · ∆x'. Questo porta ad un errore di discretizzazione, in particolare

nel caso di fasci di basse dimensioni (focalizzati) o con angoli di distribuzione molto piccoli (fasci paralleli). La risoluzione è migliorata scansionando la griglia con passi minori della distanza dei fili dwire, aumentando la densità degli elementi discreti nell'analisi dello spazio di fase. Questo porta ad avere elementi in sovrapposizione, perchè la loro dimensione ∆x · ∆x' rimane

costante. Lo stesso vale per movimenti del collimatore con passo minore della larghezza della fessura.

La progettazione meccanica e la realizzazione dello strumento sono state curate all'interno dei Laboratori Nazionali di Legnaro, seguendo il modello di un misuratore realizzato in precedenza ed effettuandone alcuni miglioramenti.

Il collimatore e la griglia sono montati su di una unica piattaforma mobile, che scorre su delle guide in direzione ortogonale alla traiettoria del fascio. La movimentazione dell'intera piattaforma viene comandata via software ed attuata con un motore a step posizionato nella parte esterna dell'apparecchio; tale motore serve sia per l'inserimento ed il disinserimento della strumentazione dalla traiettoria del fascio, che anche per la

movimentazione sottile ai fini della misura. In modo analogo alla meccanica per la movimentazione del profilatore di griglia, l'asse del motore va a ruotare una vite elicoidale, che a sua volta agisce sul blocco della piattaforma; a differenza della precedente però, il passo della vite è molto più fino per consentire uno spostamento ortogonale al fascio più preciso.

Per il controllo della posizione si utilizza un encoder analogico lineare che fornisce in uscita una tensione 0-10 Volt.

Figura 4.9 Sistema di movimentazione del blocco griglia-collimatore. (encoder lineare a tecnologia magnetostrittiva con cursore verde sulla destra, soffietto contenente il perno di movimentazione in basso)

L'acquisizione dei dati viene effettuata in modo simile a quella del profilatore di griglia, ma in modo più complesso. Essa infatti consiste nell'acquisizione combinata ed istantanea degli 80 valori di corrente sulle griglie e dell'encoder di posizione. La corrente sulle griglie viene convertita in tensione ed acquisita dall'ADC con lo stesso metodo e lo stesso tipo di elettronica del profilatore, multiplexando i valori degli 80 fili su due soli canali. Un terzo canale è invece dedicato alla lettura diretta del valore di tensione generato dall'encoder.

Sia per la movimentazione del motore che per l'acquisizione sono state riutilizzate le stesse schede in formato VME già in uso per la coppa di Faraday ed il profilatore.

Il programma di acquisizione, a seconda della risoluzione richiesta, regola la movimentazione del motore ed il passo con cui acquisire i campioni. Tutti i dati acquisiti, insieme ad altri parametri che verranno descritti in seguito, vengono salvati in un file di tipo testuale, chiamato rawdata.

Un secondo programma, successivamente all'acquisizione, va ad accedere al suddetto file rawdata, e procede con l'elaborazione dei dati, fino a giungere al calcolo dell'emittanza, ai parametri di Twiss, ed alla generazione dei dati per il grafico spazio-fase. [14, 16]

4.4 Conclusioni

La strumentazione diagnostica è una componente fondamentale di un acceleratore di particelle, i quanto permette lo studio di determinati componenti del sistema (ad esempio, lo studio dell’efficienza di ionizzazione di quella del sistema di trasporto del fascio).

Il sistema di diagnostica del complesso Front End è composto da una Faraday Cup, necessaria per misurare ed integrare la corrente del fascio, un Beam Profiler, indispensabile per visualizzare la forma del fascio e garantirne una corretta focalizzazione, ed un misuratore di emittanza.

Mentre i dati dei primi due strumenti non necessitano di particolari elaborazioni e possono essere visualizzati direttamente su interfaccia, la misura di emittanza richiede calcoli più complessi, e bisogna quindi separare l’acquisizione dalla post-elaborazione dei dati.

Capitolo 5 – Hardware e Software utilizzato

Per la realizzazione del sistema di acquisizione e controllo della strumentazione diagnostica si è scelto di utilizzare degli standard ben

consolidati, cioè un controller su bus VME e con sistema operativo VxWorks, in modo da riuscire a garantire delle tempistiche di acquisizione ed

elaborazione ben determinate.

Nei paragrafi seguenti viene quindi descritto il funzionamento del bus VME, le schede hardware utilizzate per il sistema di diagnostica, e le caratteristiche principali del sistema operativo VxWorks.