SPIRAL2 Concept d’Alignement et de Métrologie de Positionnement de l’Accélérateur SPIRAL2 R. Beunard, A. Lefèvre, F. Legruel (GANIL-Caen) M. Fontaine (IRFU- Saclay) SPIRAL2 20m

Alignement et Métrologie de Positionnement Les installations Le réseau géodésique…Pourquoi? Concept d’alignement des composants de l’Injecteur La stratégie d’alignement du Linac Supraconducteur Conclusion

Vue d’ensemble des installations Salles d’expériences existantes Accélérateurs existants LES INSTALLATIONS RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CONCEPT ALIGNEMENT INJECTEUR STRATÉGIE ALIGNEMENT LINAC CONCLUSION Cyclotron CIME DESIR SPIRAL1 Super Separator Spectrometer (S3) Ensemble cible-source 20m RFQ Source deutons Neutrons for Science (NFS) Source ECR Ions lourds Accélérateur linéaire supraconducteur Linac

Les référentiels géodésiques du GANIL Cyclotron CIME Le système local de coordonnées référencé à partir des centres des cyclotrons CSS1 et CSS2 basé sur un système de coordonnées cartésiennes précision absolue : ± 2.5 mm précision relative : ± 0.15 mm utilisé pour l’alignement et le positionnement des composants fonctionnels des accélérateurs et des Aires d’Expériences LES INSTALLATIONS RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CONCEPT ALIGNEMENT INJECTEUR STRATÉGIE ALIGNEMENT LINAC CONCLUSION CSS2 X = 500.000 00 m Y = 229.015 38 m Z = 20.000 00 m (Plan médian) Y CSS1 X = 500.000 00 m Y = 200.000 00 m Z = 20.000 00 m (Plan médian) Z X 20m

Les référentiels géodésiques du GANIL Le système national de coordonnées planimétriques : système N.T.F. projection Lambert 1 altimétriques : système N.G.F. IGN69 Le plan topographique du site est référencé dans ces 2 systèmes : précision absolue en planimétrie : environ ± 20 mm précision relative du canevas géodésique : ± 5 mm LES INSTALLATIONS RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CONCEPT ALIGNEMENT INJECTEUR STRATÉGIE ALIGNEMENT LINAC CONCLUSION X= 403 483.339 m Y=171 860.186 m X= 403 575.486 m Y=171 875.799 m 100 m

Coordonnées cartésiennes du procédé dans les deux systèmes Intersection Linac / LHE système Coord. X (m) Coord. Y Lambert I 403 428.339 171 900.345 Local 445. 113 31 348.231 53 LES INSTALLATIONS RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CONCEPT ALIGNEMENT INJECTEUR STRATÉGIE ALIGNEMENT LINAC CONCLUSION Y Axe linac Z X Axe LHE Aimant D52 système Coord. X (m) Coord. Y Lambert I 403 498.344 171 834.095 Local 498.323 31 267.866 69 CONTRAINTE Raccordement de la ligne faisceaux radioactifs multichargés à CIME Centre cyclotron CIME système Coord. X (m) Coord. Y Lambert I 403 497.653 171 828.567 Local 496.400 01 262.638 39 10 m CIME

Projet de réseau géodésique de surface en fonction de la zone de terrassement et de l’aménagement final Légende : Pilier axe procédé (inclus dans le réseau) Pilier réseau géodésique Pilier de liaison avec le réseau local S118 S123 S122 5 4 6 2 1 7 8 9 10 Pilier géodésique Axe Linac Axe LHE 3 LES INSTALLATIONS RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CONCEPT ALIGNEMENT INJECTEUR STRATÉGIE ALIGNEMENT LINAC CONCLUSION Pré-implantation des piliers géodésiques par GPS différentiel dans le système Lambert I Pivot (pt 1) Point à mesurer S123 11 NIV ±0.00 Contrôle du mouvement des bâtiments depuis les piliers géodésiques Contrôle implantation des bâtiments Implantation du procédé 50 m

Projet du réseau géodésique du procédé à - 9.50 m LES INSTALLATIONS RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CONCEPT ALIGNEMENT INJECTEUR STRATÉGIE ALIGNEMENT LINAC CONCLUSION Laser tracker Tachéomètre Niveau numérique Repères à sceller et instruments de mesure du réseau Repère à sceller 5 m

SC LINAC INJECTOR Vue 3D de l’Injecteur 5 m Aimant - Tolérance d’alignement Déplacement : ± 0.1mm en statique Rotation (OX, OY) 1: ± x,y deg. Rotation (OZ) 2 : ± z deg. x,y = 2d/L (1) d : déplacement, L : longueur z = d/R (2) d : déplacement, R : rayon d’ouverture LES INSTALLATIONS RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CONCEPT ALIGNEMENT INJECTEUR STRATÉGIE ALIGNEMENT LINAC CONCLUSION MEBTLine INJECTOR QWR =0.07 RFQ Diagnostic -Tolérance d’alignement Déplacement : ± 0.25 mm en statique LEBTLine RFQ -Tolérance d’alignement Déplacement : ± 0.1mm en statique Deuteron source Heavy Ions ECR ion source 5 m Design: BE GANIL

Fiducialisation des aimants de l’Injecteur Design: BE GANIL Fiducielles type CERN LES INSTALLATIONS RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CONCEPT ALIGNEMENT INJECTEUR STRATÉGIE ALIGNEMENT LINAC CONCLUSION 1m Alésage  30 mm Partie optionnelle Sur chaque aimant une platine de base est usinée parallèle au plan magnétique Ces platines peuvent recevoir diverses interfaces en fonction des besoins, c’est-à-dire : soit un bloc d’alignement complet supportant un tachéomètre soit la partie inférieure du bloc d’alignement supportant une mire d’alignement Taylor-Hobson soit un rétroréflecteur de type coins de cube installé sur son support directement dans l’alésage  30 Alignment target 0.50m For each element, a set of basic plates on the outside surface of the magnets will be determined with respect to the magnetic plane. Regarding dipoles, three plates will be determined. As for the quadrupoles a basic rectangular plate is planned on the top of the magnet yoke on which two reference socket cups will be fixed. During the alignment process, each magnet plate will be fiducialized with a reference socket cup, i.e. according the need: either the lower part of the socket cup will be equipped with devices like Taylor Hobson sphere, reflector or the complete socket cup used for supporting instrumentation like a tacheometer

La fiducialisation des boîtes diagnostiques Design: BE IRFU LES INSTALLATIONS RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CONCEPT ALIGNEMENT INJECTEUR STRATÉGIE ALIGNEMENT LINAC CONCLUSION Profileur EMS Platine Tilt Systèmes de surveillance de l’enceinte Les profileurs sont pré-alignés sur un banc avant l’installation dans l’enceinte. Design: BE GANIL Mire d’alignement de l’enceinte 0.50 m In order to drive the SPIRAL2 beam along the beam transport three kinds of beam profile monitor have been developed at Ganil: The multiwire beam monitors composed of a horizontal and a vertical grid of 47 golden tungsten wires of 150 µm The non-interceptive beam profile monitor. The low intensity beam profile monitor. Multiwire beam will be aligned on a bench before its installation on the diagnostic box. That is to say, we align the main wire on the beam axis. The next picture presents the alignment maintenance scheme which will be use for the beam line components. La surveillance sur site est assurée au moyen de deux systèmes équipés de réflecteurs et d’une platine tilt.

Contrainte importante : très bon réseau géodésique 3D Principe d’alignement et de surveillance des composants fonctionnels : le laser Tracker Les coordonnées 3D de ces objets seront exportées vers une base de données Contrainte importante : très bon réseau géodésique 3D LES INSTALLATIONS RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CONCEPT ALIGNEMENT INJECTEUR STRATÉGIE ALIGNEMENT LINAC CONCLUSION Repère mural Repère ancré dans la dalle béton The GANIL laboratory previously used theodolites and optical levels to set up a floor network, align magnets and carry out the final survey. Recently, we have upgraded the alignment techniques with a portable 3D measuring arm and a new motorized tacheometer. We also bought at the CERN Large Scale Metrology Group a LEICA laser tracker. Not as surveying with a theodolite, the use of a laser tracker for the alignment maintenance will avoid dismounting equipment such as vacuum pumps or beam diagnostic devices during the shutdown period. The 3D coordinates of these objects will be exported into a data base. The following table shows misalignments tolerated for the RFQ. Avec cet instrument, les visées ne se font plus sur l’axe mais en déporté. , Avantage par rapport aux méthodes classiques : plus de démontage d’équipements qui masquent les lignes de visées. 1.0 m

Fiducialisation du RFQ fiducielle Design: BE IRFU LES INSTALLATIONS RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CONCEPT ALIGNEMENT INJECTEUR STRATÉGIE ALIGNEMENT LINAC CONCLUSION 5m The SPIRAL2 Radiofrequency Quadrupole (RFQ) is designed to accelerate either a 5 mA deuteron beam (Q/A=1/2) or a 1mA Q/A = 1/3 ion beam up to 0.75 MeV/A at 88 MHz. The 4 long vanes of this cavity are used to confine the particles close to the central axis. The electric fields created also have a longitudinal component due to the wave-like shape of the poles, which accelerates the particles. Located just after the ion source, the RFQ is the first step in the acceleration of the intense beams from SPIRAL2. The localization of the RFQ requires fiducial points transferred on the top of the vacuum vessel by adjustable plates equipped with a conical centering surface for a Taylor-Hobson-Sphere or retro-reflector. The spatial coordinates of these plates will be given in the reference system of the object. Trois fiducielles (platines repères) sont reportées sur le dessus de chaque module, Les platines reçoivent soit une sphère Taylor and Hobson, soit un rétro-réflecteur, Les coordonnées spatiales des mires sont données dans le référentiel objet.

Réseau de mesure pour le contrôle métrologique du RFQ lors de la réception à Saclay 29 21 22 23 24 25 26 27 28 30 20 Laser A Laser B Laser C Laser D 5 7 2 4 11 12 9 13 14 5 8 7 électrodes 1 2 3 4 6 Alésage  5.0 mm pour adaptateur rétroréflecteur  0.5” LES INSTALLATIONS RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CONCEPT ALIGNEMENT INJECTEUR STRATÉGIE ALIGNEMENT LINAC CONCLUSION Pourquoi un réseau de mesure ? contrôler la position des mires d’alignement contrôler la position des électrodes Le réseau de référence est composé de 6 piliers (pts 20 à 25), de 6 repères ancrés dans le sol (pts 26à 30) et de 4 stations Laser Tracker (A à D). Le volume du réseau est de 4m3.5m2m L’erreur globale est estimée 60m RMS (par simulation) The Four machined holes distributed at each end of the vacuum vessel will be used like reference system of the object. The vanes are positioned in relation to the machined holes ( four on each end) The intersection of these two red lines define the beam theoretical axis The reference network consist of approximately 6 pillars, 6 floor monuments and 4 laser tracker stations The volume of the network is 4m´3.5m´2m The global error is estimated to be 60mm (RMS at 2s) Now let’s move on to the third point. The superconducting Linac Cryomodules Les 8 alésages solidaires du tube RFQ seront utilisés comme système de référence de l’objet (pts 1 à 4 et 9 à 12) Les électrodes seront positionnées par rapport à ces alésages

Le bâti support du linac La solution adoptée : bâti mécano-soudé équipé d’un rail guide, Pré-alignement sur banc en labo des composants (cavités, quadrupôles, diagnostics), Chaque composant peut être rapporté en labo pour des opérations de maintenance, Le composant pourra être repositionné sur la ligne de faisceau dans les mêmes conditions. 1.0 m rail guide Cryomodule B QWR - 0 = 0.12 CNRS-IPN-Orsay Design: BE IRFU, IPNO, GANIL Cryomodule A QWR - 0 = 0.07 IRFU - Saclay 35 m LES INSTALLATIONS RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CONCEPT ALIGNEMENT INJECTEUR STRATÉGIE ALIGNEMENT LINAC CONCLUSION Micro-télescope avec caméra CCD Cavités -Tolérance d’alignement Déplacement : ± 1.0 mm en statique Rotation (OX, OY) : ± 0.3 deg. The LINAC itself is based on superconducting independently-phased resonators. It is composed of 2 families of quarter-wave resonators (QWR) at 88MHz, developed respectively by the CEA/DAPNIA and the IN2P3/IPNO teams: 12 resonators with bo=0.07 (1 cavity/cryomodule) and 16 resonators at bo=0.12 (2 cavities/cryomodule). The transverse focusing is ensured by means of warm quadrupole doublets located between each cryomodule. These warm sections include also beam diagnostic boxes and vacuum pumps.

Cavités A et B - Principe de report de l’axe faisceau La cavité est suspendue dans le cryostat au moyen de 3 tirants verticaux. Elle est stabilisée et positionnée par 4 tirants horizontaux antagonistes 2 axes décalés Cavité B Axe faisceau 2ème axe décalé 1er axe décalé Cavité A Axe faisceau Axe décalé La cavité est suspendue et positionnée dans le cryostat par 2 tirants verticaux et 2 fois 4 tirants horizontaux LES INSTALLATIONS RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CONCEPT ALIGNEMENT INJECTEUR STRATÉGIE ALIGNEMENT LINAC CONCLUSION Tilt-meter Cryostat shifted axis Beam axis During the assembly process, once the cryomodule is closed, the interior of the superconducting cavities cannot be accessed outside a clean room. As a result, the cavity will have to be equipped with external references (optical targets) mounted on an arm in order to facilitate its adjustment inside the cryostat After a levelling process of the cavity, the transfer is carried out by means of inter-dependent tools in the two beam tubes. The positioning of the target supports is obtained thanks to a rod inserted in the arms of the alignment tools (cryomodule B) and a tool linked to the lower flange of the cavity but dismantled (cryomodule A). L’intérieur des cavités n’est plus accessible en dehors de la salle blanche, Les axes déportés permettent l’alignement des cavités à l’intérieur du cryostat, puis l’alignement du cryomodule sur le linac.

Axe décalé du cryomodule Micro-télescope d’alignement Banc de fiducialisation des composants Ce banc est une section du bâti mécano-soudé du linac. le principe est de matérialiser spatialement les axes décalés (cavités et cryomodule) Cryomodule B Axe décalé du cryomodule Axe faisceau Axe décalé des cavités Micro-télescope d’alignement référentiel 1 LES INSTALLATIONS RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CONCEPT ALIGNEMENT INJECTEUR STRATÉGIE ALIGNEMENT LINAC CONCLUSION 1 Axe de référence pour l’alignement des objets sur le linac 2 Cryomodule A Doublets du linac As the components cannot be aligned through the beam tube, the adopted solution is to transfer new axis outside the object (quadrupole and cryomodule), i.e. to the sides of their supports by adjustable target boxes. These external references will allow the alignment of objects on the beam line with respect to the other ones. Ce banc permet : l’alignement des cavités dans le cryostat, le report de l’axe faisceau sur le support cryomodule, le contrôle des mouvements des cavités à 4K à l’intérieur du cryostat.

La mesure 3D des mires d’alignement (fiducielles) Bras de mesure 3D portable (Romer) L’incertitude de mesure est de ± 0.06 mm (2) pour un volume de mesure de 3.0 m LES INSTALLATIONS RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CONCEPT ALIGNEMENT INJECTEUR STRATÉGIE ALIGNEMENT LINAC CONCLUSION Sphère Taylor Hobson ou rétroréflecteur Rail guide Référentiel de tilt L’utilisation du bras 3D nécessite de définir un plan dans le volume de l’objet. Le référentiel de mesure des objets sont : l’axe mécanique des tubes d’accélération pour les cavités l’axe mécanique des pôles pour les quadrupôles To ensure the measurement accuracy by using the portable arm, it is essential to define a plan in the object volume. This plan is materialized on the objects frame by three spherical head benchmarks previously adjusted in a same plan. The 3D measurements of these fiducials will be done by means of a portable arm coordinate measuring machine (Flex series) The measuring accuracy is ± 0.06 mm (at 2s) for the size = 3.0 m. The next point gives you an insight into the transfer concept cavity beam axis.

Mesure de l’impact de la mise sous vide (7×10-4 mbar) Cryomodule B de qualification – test 2 LES INSTALLATIONS RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CONCEPT ALIGNEMENT INJECTEUR STRATÉGIE ALIGNEMENT LINAC CONCLUSION Cryomodule B installé sur le banc d’alignement

Mesure de l’impact de la mise en froid (4°K) Cryomodule B de qualification – test 2 LES INSTALLATIONS RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CONCEPT ALIGNEMENT INJECTEUR STRATÉGIE ALIGNEMENT LINAC CONCLUSION Sur les cryomodules B, l’ajustement des cavités est possible au moyen des tirants accessibles de l’extérieur. Ces déplacements seront pris en compte lors de l’alignement final des cavités dans les cryostats

Conclusion Il est primordial d’être impliqué dès l’étude et la conception des objets intégrer des repères géométriques qui permettront l’alignement initial mais également la surveillance dans le temps sans une implication précoce, l’alignement peut s’avérer impossible bien connaître la problématique dans un souci d’atteindre, in fine, la qualité se faire une opinion des erreurs maximums tolérées  x,y,z et  x, y,z le géomètre doit fournir la solution la mieux adaptée LES INSTALLATIONS RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CONCEPT ALIGNEMENT INJECTEUR STRATÉGIE ALIGNEMENT LINAC CONCLUSION The introduction of new technologies in our laboratories is necessary and allows significant improvements in metrology for example the RFQ network measurement for the metrological control of the fiducial points or the Alignment maintenance of the Beam Line Components. It will be necessary to turn one's attention to the alignment of the superconducting cryomodules and more particularly for transferring beam axis outside both the cavities and the cryostats. This axis will become the unique baseline for positioning of cryomodules on the beam line. Presently, three techniques are discussed to align the Linac straightness: the laser alignment or the micro-Alignment Telescope (MAT) with CCD camera, the tacheometer combined with a digital level and the laser tracker. We have designed a test-bench to evaluate the performances. Today, the MAT has not yet been tested. It is also essential than the person in charge of the alignment must be involved very early in the design of the elements, in terms of fiducialization, mechanical assembly and controls. Nécessité de trouver un langage commun entre bureau d’études, mécaniciens et géomètres FIN Pour plus de détails voir le poster intitulé :  Survey and Alignment Concept for Construction of SPIRAL2 Accelerator