Applications lectromagntique pour les acclrateurs Natalia Galindo Munoz

Applications électromagnétique pour les accélérateurs Natalia Galindo Munoz, IFIC - CERN Midterm Review CERN-HES 28 -29/05/2015 November 2016

1) Introduction et objectifs de PACMAN 2) Théories basique de cavités de radiofréquence 3) Les principaux composants d'accélérateur à aligner dans PACMAN Outline 4) Bancs des mesures expérimentales et résultats 5) Conclusions 2

Pour pouvoir construire un accélérateur de particules de haute énergie qui fonctionne correctement (ça veut dire, aucun instabilité de faisceau), nous devons aligner ses composants avec le faisceau avec une précision de quelques micromètres. Introduction et objectifs de PACMAN True value Probability Accuracy density Precision À PACMAN nous développons des techniques pour trouver les axes électromagnétiques des composants afin de les aligner sur leurs supports. Composants à aligner: • Moniteur de position de faisceau (BPM) • Aimant quadripolaire (Q-magnet) • Structure accélératrice (AS) Nous allons valider la méthode proposée avec les composants de l’accélérateur appelé CLIC. Nous allons aligner un aimant quadripolaire et un moniteur de position de faisceau dans le même support et dans un autre support, nous allons aligner jusqu'à 6 structures accélératrices. BPM Q-magnet AS AS AS Nous avons développé trois bancs de mesure pour trouver l'axe électromagnétique de chaque composant d'une manière indépendante avec la précision requise.

Une particule chargée qui se déplace à travers un champ électromagnétique est soumise à une force et est accélérée dans l’axe de sa trajectoire: F=q. E Théorie basique de cavités de radiofréquence Les champs électromagnétiques à l'intérieur d'une cavité obéissent aux équations de Maxwell. La géométrie de la cavité définit les conditions limite du champ. Il existe des solutions propres de la cavité à certaines fréquences (eigenfrequencies). Exemples: Le guide d'onde circulaire Le guide d’onde rectangulaire Mode fondamental TM 010 Mode fondamental TE 10 power flow Les composantes longitudinales de champ E sont présents sur toute la coupe transversale. On utilise une cavité pillbox couplée à un tube de faisceau pour accélérer des particules avec le mode d'accélération TM 010: power flow

Moniteur de position de faisceau (BPM): Composant qui donne des informations sur la position du centre du faisceau. Lorsque le faisceau passe à travers le BPM, il excite les modes à l'intérieur de celui-ci, comme dans une cavité pillbox: monopôle TM 010, TM 110 dipolaire et des modes d'ordre supérieur. Les principaux composants d'accélérateur à aligner dans PACMAN Mode dipolaire: TM 110 Les composantes longitudinales de champ E sont égales à zéro au centre de la cavité. Les modes dipolaires sont utilisés pour la détection de position étant donné que leur amplitude dépend linéairement de la position du faisceau et est nulle pour un faisceau centré. 5

Aimant quadripolaire (Q-magnet): Utilisé pour la focalisation du faisceau. La force de Lorentz subie par un particule est proportionnelle à sa déviation du centre dans le plan vertical ou horizontal. Les principaux composants d'accélérateur à aligner dans PACMAN Exemple d’aimant parfait de quadripolaire dans le plan vertical: S N B N S F F B S Si le faisceau entier traverse le quadripôle hors centre, il subira un kick transversal proportionnel à sa distance au centre. Un quadripôle mal aligné aurait le même effet et enviera le faisceau hors la trajectoire nominale. focalisation B F F N B N S Définition d’axe magnétique : ligne ou trajectoire où le champ magnétique est nul. 6

Structure accélératrice (AS): La manière de pouvoir accélérer les particules à haute énergie est avec une structure d’ accélération radiofréquence périodique. Les principaux composants d'accélérateur à aligner dans PACMAN CLIC utilise des ondes progressives pour accélérer les particules à 12 GHz pour avoir des accélération très fortes. A haute fréquence l’ouverture pour le faisceau est d’environ 5 mm et les courants images dans les parois deviennent très importants. D'une manière similaire à un quadripôle, plus le faisceau passe à côté des parois de la structure, plus il subira des forces transversales et excitera des modes d'ordre supérieur. RF in 5 mm Coupe transversale d'un disque de la structure d'accélération RF out Direction du faisceau RF in RF out Le mode dipolaire TM 010 généré par le faisceau est utilisé pour la détection de position. 7

On utilise un fil pour simuler le faisceau et on minimise les effets électromagnétiques produits par le fil pour trouver le centre. Pour la BPM et l’AS ce sont les symétries entre les signaux transmis dans la structure (Scattering parameters) lorsque le fil se déplace le long des Port 1 axes. Bancs des mesures expérimentales et résultats S 31 S 41 Port 3 Port 4 S 32 S 42 Port 2 Pour l’iman c’est l’amplitude de vibration du fil. Le premier eigenmode de fil est excité quand il est hors centre. MBQ Détecteur de vibration ~ Source de courant 8

Fil conducteur Φ 0. 1 mm Bancs des mesures expérimentales et résultats: BPM Analyseur de réseau vectoriel Support du fil Hexapode pour déplacer la BPM Support du fil La mesure utilise le changement rapide de phase quand le fil traverse le centre de la cavité. Travail effectué par Silvia Zorzetti, ingénieure en électronique. 9

Moteur de tension Capteurs de vibration optique Quadripôle Bancs des mesures expérimentales et résultats: Q-magnet Les étapes de déplacement du fil Fil conducteur Φ 0. 1 mm Les étapes de déplacement du fil Système de stabilisation nanométrique 1. 0 103 V/A 0. 5 0. 0 -0. 5 -1. 0 -1. 5 -2. 0 -60 Travail effectué par Domenico Caiazza, ingénieur d'automatisation. -40 -20 0 center 20 40 μm 60 10

Port 1 Bancs des mesures expérimentales et résultats: AS Notre premier travail est de vérifier que S 31 S 41 nos hypothèses sont correctes. Pour étudier la façon dont les paramètres de Port 3 Port 4 transmission varient à tous les ports lors du déplacement du fil autour du centre de S 32 S 42 la structure, nous utilisons le solveur de Port 2 champ électromagnétique 3 D nommé Définition des ports HFSS. dans la cellule du Exemple quand le fil se déplace le long de milieu de l'AS l’axe X. Travail effectué par Natalia Galindo Munoz, ingénieure en télécommunications. 11

Port 1 17 GHz est la fréquence la plus sensible à la position du fil S 31 S 41 Port 4 Port 3 S 32 Bancs des mesures expérimentales et résultats: AS S 42 Port 2 Nous représentons les mesures simulées à la fréquence sélectionnée de 17 GHz et nous faisons un ajustement linéaire. • La ligne passe par zéro à la positon du centre électromagnétique de l'AS. • La pente représente la sensibilité des mesures pour le déplacement du fil. La prochaine étape est la mesure dans le laboratoire. Le centre géométrique coïncide avec le centre électromagnétique. Pas vrai en réalité! 12

Bancs des mesures expérimentales et résultats: AS Système de positionnement de fil Fil conducteur Φ 0. 1 mm Les étapes de déplacement de fil avec contrôleur AS Station de température Analyseur de réseau vectoriel 13

Nous suivons un algorithme pour effectuer les mesures. Ce processus est automatisé en utilisant une plate-forme de l'utilisateur que nous avons programmé en Lab. VIEW. Bancs des mesures expérimentales et résultats: AS S 41 -S 31, no wire S 42 -S 32, no wire S 41 -S 31 S 42 -S 32 Le centre électromagnétique de la structure accélératrice est trouvé avec une répétabilité de ± 0. 1 µm. S 14 -S 24, no wire S 13 -S 23, no wire 14

388 mm Bancs des mesures expérimentales et résultats: AS 51 mm 15

Vous avez aperçu trois applications de l'électromagnétisme pour l’alignement des composants accélérateur que nous réalisons dans PACMAN comme ingénieurs en électronique, d'automatisation et en télécommunications. La résolution de un problème de recherche est loin de l’exercice académique: Il n’y a pas un méthode simple ou une application claire qui nous disent comment attaquer les problèmes. Des vérifications des modelés et de l’instrumentation sont nécessaires a chaque étape. Conclusions Bien sûr, le travail de recherche n’est pas droit, clair et facil. Il faut faire beaucoup des itérations avec des modèles parfaits de la nature pour pouvoir comprendre comment elle réagit. Pour pouvoir être capables de assurer que les précisions qu’on trouve dans nôtres mesures sont correctes, on doit utiliser des méthodes empiriques différents afin de les comparer. PACMAN est un travail d'équipe. Vous pouvez trouver plus informations sur: https: //pacman. web. cern. ch 16

Review nd PACMAN Workshop 2 Midterm CERN-HES 28 -29/05/2015 Debrecen, Hungary November 2016 Merci pour votre attention! June 2016