Applications électromagnétique pour les accélérateurs CERN-HES November 2016 Applications électromagnétique pour les accélérateurs Natalia Galindo Munoz, IFIC - CERN

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

Introduction et objectifs de PACMAN 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. True value Accuracy Precision Probability density Introduction et objectifs de PACMAN 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. Nous avons développé trois bancs de mesure pour trouver l'axe électromagnétique de chaque composant d'une manière indépendante avec la précision requise. BPM Q-magnet AS

Théorie basique de cavités de radiofréquence 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=qE 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 Théorie basique de cavités de radiofréquence Mode fondamental TM010 power flow Mode fondamental TE10 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 TM010:

Les principaux composants d'accélérateur à aligner dans PACMAN 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 TM010, TM110 dipolaire et des modes d'ordre supérieur. Les principaux composants d'accélérateur à aligner dans PACMAN Mode dipolaire: TM110 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.

Les principaux composants d'accélérateur à aligner dans PACMAN 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. Exemple d’aimant parfait de focalisation quadripolaire dans le plan vertical: Les principaux composants d'accélérateur à aligner dans PACMAN 𝐵 𝑥 =𝐺𝑦 𝐵 𝑦 =𝐺𝑥 N S N S S N F B 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. Définition d’axe magnétique : ligne ou trajectoire où le champ magnétique est nul.

Les principaux composants d'accélérateur à aligner dans PACMAN 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. 5 mm Coupe transversale d'un disque de la structure d'accélération Direction du faisceau RF in RF out Le mode dipolaire TM010 généré par le faisceau est utilisé pour la détection de position.

Bancs des mesures expérimentales et résultats 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 axes. Pour l’iman c’est l’amplitude de vibration du fil. Le premier eigenmode de fil est excité quand il est hors centre. Bancs des mesures expérimentales et résultats S41 S31 Port 1 Port 3 Port 4 S32 S42 Port 2 Détecteur de vibration ~ Source de courant MBQ

Bancs des mesures expérimentales et résultats: BPM Analyseur de réseau vectoriel Fil conducteur Φ0.1 mm Hexapode pour déplacer la BPM Support du fil Bancs des mesures expérimentales et résultats: BPM La mesure utilise le changement rapide de phase quand le fil traverse le centre de la cavité. Interpolation du centre électrique: 𝑥 0 = 𝑚 𝑥 𝑥+ 𝑎 𝑥 𝑦 0 = 𝑚 𝑦 𝑦+ 𝑎 𝑦 Travail effectué par Silvia Zorzetti, ingénieure en électronique.

Bancs des mesures expérimentales et résultats: Fil conducteur Φ0.1 mm Les étapes de déplacement du fil Capteurs de vibration optique Moteur de tension Système de stabilisation nanométrique Quadripôle Bancs des mesures expérimentales et résultats: Q-magnet -60 -40 -20 20 40 60 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 center 103 V/A μm Travail effectué par Domenico Caiazza, ingénieur d'automatisation.

Bancs des mesures expérimentales et résultats: Port 1 Port 3 Port 4 S32 S42 Port 2 Notre premier travail est de vérifier que nos hypothèses sont correctes. Pour étudier la façon dont les paramètres de transmission varient à tous les ports lors du déplacement du fil autour du centre de la structure, nous utilisons le solveur de champ électromagnétique 3D nommé HFSS. Exemple quand le fil se déplace le long de l’axe X. Bancs des mesures expérimentales et résultats: AS Définition des ports dans la cellule du milieu de l'AS Travail effectué par Natalia Galindo Munoz, ingénieure en télécommunications.

Bancs des mesures expérimentales et résultats: Port 1 Port 3 Port 4 S32 S42 Port 2 17 GHz est la fréquence la plus sensible à la position du fil Bancs des mesures expérimentales et résultats: AS 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!

Bancs des mesures expérimentales et résultats: AS Station de température Analyseur de réseau vectoriel AS Fil conducteur Φ0.1 mm Les étapes de déplacement de fil avec contrôleur Système de positionnement de fil

Bancs des mesures expérimentales et résultats: AS 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 LabVIEW. S41-S31,no wire S42-S32, no wire S41-S31 S42-S32 Le centre électromagnétique de la structure accélératrice est trouvé avec une répétabilité de ±0.1 µm. S14-S24,no wire S13-S23, no wire

Bancs des mesures expérimentales et résultats: Étalonnages effectuées afin de minimiser les erreurs dans la mesure: Etapes de déplacement du fil: utilisation d’une CMM, instrument capable de mesurer la position avec une précision de 0.3 μm. Correction de perpendicularité entre les axes X et Y: 0.05 μm le long de 0.2 mm. Mesure de la précision du positionnement: 8 μm le long de 0.2 mm. Perpendicularité du fil: réglé avec CMM. Mesures à température constante pour éviter des dilatations. Répétabilité du positionnement du fil: 1.5 μm. Analyseur de réseau vectoriel: afin d’éviter des réflexions différentes dans chaque port et des réflexions dues aux connecteurs. Erreurs numériques aléatoires dues au software. 51 mm 13 𝛍𝐦 11 𝛍𝐦 388 mm Bancs des mesures expérimentales et résultats: AS

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. 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 Conclusions

Merci pour votre attention!  CERN-HES November 2016 2nd PACMAN Workshop Debrecen, Hungary June 2016 Merci pour votre attention! 