Quelques diagnostics de faisceau récemment développés à l'ESRF Graham Naylor, Eric Plouviez, Kees Scheidt

Les accélerateurs de l’ESRF L’injecteur: Linac de 200 MeV Synchrotron booster de 6GeV L’anneau de stockage: 6GeV 844m/32 cellules 200mA Emitances : 4nm.rd et 30pm.rd en opération

L’instrumentation d’une source de rayonnement synchrotron Nombreuses machines relativement similaires => Principaux systemes d’instrumentation similaires et parfois disponibles sous forme de produits industriels standards.

Parametres critiques d’une source de rayonnement synchrotron Stabilité de position Faible émitance Longue duree de vie Intensité Disponibilité et fiabilité

Instrumentation liée a ces contraintes BPMs et asservissements Mesure de pertes Mesures de position, intensité et profil au cours de l’injection et du stockage

Situation de l’ESRF Plus de 10 ans d’operation: Certaines technologies utilisées dans nos systemes sont un peu datées (BPMs…), mais notre expérience dans leur mise en oeuvre (feedback, etc) est tres approfondie, et les performances de notre source sont au meilleur niveau. L’ expérience de l’opération de notre source nous a conduit à approfondir l’etude de plusieurs problemes ( optimisation de l’injection et du stockage, mesure des pertes de faisceau), et à mettre en oeuvre un certain nombre d’idées de diagnostics originales…

Diagnostics optiques é A coté des diagnostics usuels (mesures de profil dans l’anneau de stockage), nous avons devellopé quelques diagnostics moins courrants: Utilisation du rayonement synchrotron pour des mesures de profil dans l’injecteur entre 200 MeV et 6 GeV Capteurs de rayonnement synchrotron de haute énergie dans l’air

-destructif - complexe & couteux -sous vide -pas de position absolue -quelques é l é ments sous vide -plan vertical seulement -peu sensible

f=300 Vue de profilVue de face CCD filtres CCD filtres f=300 Fenetre en saphir

é Image du faisceau en fin de TL1 pour différentes valeur du courant du septum 19mm

Taille du faisceau [fwhm  m] & energie [MeV]en fonction Du temps[ms], mauve=hor. jaune=vert

Capteurs de rayons X dans l’air é é Anneau de stockage de l’ESRF : haute énergie (6 GeV) et faible épaisseur des absorbeurs => Une fraction du rayonnement synchrotron est disponible hors de la chambre

IRVis. X-rays Ec=20KeV capteur X dans l’air

Une faible partie (~ = 250uW/mrad) traverse l’absorbeur: Xrays >150KeV

Vue de profil dans le plan vertical du faisceau

vertical horizontal Profil vertical Temps d’intégration= 1 milliseconde

é Taille vertivale projetée [fwhm um] d=1.92m E=170KeV é mittance verticale [pm] Courbe th é orique 2 Points de mesure

Moniteur à lames dans l’air, pour des mesures de déplacement verticaux du faisceau (  v=35m) Installé dérriere l’absorbeur de la cellule 5

Feedback arret é + (  v=35m) Raie de 26nm a 110 Hz: Produite avec un champ de 2mG.m d’amplitude sur un correcteur du feedback Moniteur à lames dans l’air, pour des mesures de d é placement verticaux du faisceau (  v=35m) Installé dérriere l’absorbeur de la cellule 5

Mesures de pertes Utilisées non seulement pour la sécurite radiation, mais de plus en plus comme diagnostic faisceau: Evolution des pertes dans le temps Localisation des pertes

Mesure de pertes avec un photo multiplicateur (un blindage de plomb stoppe le rayonnement synchrotron)

D é tection rapide des pertes

Mouvement synchrotron d’un faiceau injecté (ici la phase d’injection est trop faible)

Scan du cone de Bremstralhung par les lames en tungstene d’un XBPM

Localisation des pertes: détecteur sur chariot Crotch absorber

Rendement d’injection Mesures de courant relatives en different points entre le linac et l’anneau de stockage, au cours d’une injection

Mesures de charge diff é rentielles utilisant des striplines FPGA Board (Libera) 3 way combiner TL1 SY TL2begin SR Striplines 2 way combiner RF switch /10Hz 3 way splitter 30dB Cables a faible perte é Préconditionement RF cPCI rack cr114 Tinj (rs422) ZRL dB 2 way combiner ZFSC-3-1 ZASWA-2-50DR ZX ZRL-400 ZHL-1A 30dB 16dB ZHL-1A ZRL-400 TL2end Filter 352MHz Filter 352MHz Filter 352MHz

Efficacité d’injection: algorithme du DSP décrit avec Simulink pour programmer le FPGA L’efficacité d’injection est donnée par le rapport: Correlation block

Qu’est-ce qu’un FPGA? DSP: logique séquentielle– Architecture Von Neumann FPGA – logique cablée: intrinsequement parallele et rapide

Traitement du signal Vitesse de traitement Scope et PC integre Carte ADC +FPGA Carte ADC +CPU PC Carte ADC + DSP é Fréquence d’acquisition >10Gs/s >100 Ms/s 10Ks/s >100 Ms/s10Ks/s 1Ks/s

Environnement de développement Oscilloscope + PC intégré: matlab/labview/exel… ADC+CPU: C sous Windows,Linux,Vxworks… ADC+DSP: C +OS et bibliotheques mathématiques spécifiques… ADC + FPGA: environnement type Verilog ou VHDL ou simulink/matlab

Applications Scope+PC integre: mesures de longueur de paquet et d’oscillations longitudinales… ADC+CPU: Mesures de nombre d’onde du synchrotron de l’injecteur ADC+DSP: correction d’orbite rapide ( Global feedback a 4.4KHz) ADC + FPGA: Mesure de rendement d’injection feedback multibunch sur plateforme Libera

Feedback global rapide Feedback global rapide 32BPMs 24 correcteurs Correction verticale et horizontale 100Hz de bande passante C60 Floating point DSP C40 ports / taxi bus interface BPMs: (2 BPMs/ distance: 5m) correcteurs: Front end DSP: C40 links

Effet dans le plan vertical: éé Valeur rms : intégrée entre.1 et 200Hz Gauche: sans feedback Droite: avec feedback

Feedback longitudinal Modulateur QPSK Passe bas 200 MHz Processeur FPGA ADC é Cavité 1.2 GHz - >1.4GHz Sortie DAC Horloge RF  Ampli de puissance 1.4 GHz étection de phase D étection de phase é é Amortissement des instabilitées induites par les modes superieurs des cavitées RF: Horloge f RF X4

Traitement paquet par paquet: Acquisition a 352.2MHz: 4 ADC 14 bits 88Msps en paralelle. é Traitement: sur chaque paquet, moyennage sur 60 tours, filtre FIR centré sur f s (déphasage de  /4) éé Génération du signal de correction par un DAC 352.2MHz (bande passante 176.1MHz) é é Conversion vers la fréquence centrale de la cavité kicker: modulateur QPSK

Utilisation de la plateforme Libera (BPM de Soleil) pour le calcul de la correction Contrat de collaboration avec Itech: Integration de l’environement de developpement simulink Ajout des ADC/DAC 500Msps

Conclusion Si vous voulez faire des choses nouvelles et intéressantes 10 ans après la mise en route d’une machine, faites des diagnostics...