BI DAY 6 Décembre 2012 J. Emery pour le projet wire scanner

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1 BI DAY 6 Décembre 2012 J. Emery pour le projet wire scanner
Développement d’un Wire Scanner rapide de haute précision et validation du prototype dans le SPS BI DAY 6 Décembre 2012 J. Emery pour le projet wire scanner BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS

2 Plan de la présentation
Profile transversal d’intensité d’un faisceau LHC comme visualisé dans la salle de contrôle Intensité ≡ nombre de particules [] Principe du wire scanner Limitations et futures améliorations Concept fonctionnel Contributions Survol du futur système de contrôle et d’acquisition Plan pour 2x Sigma Position [mm] BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS

3 Principe de fonctionnement du wire - scanner
Particules générée par l’interaction faisceau - fil Tube sous vide Faisceau Position de la fourche mouvement Scintillateur Filtres optiques Photomultiplicateur (PM) Préamplificateur Courant PM Profile transversal d’un faisceau LHC Châssis de contrôle et d’acquisition (VME) BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS

4 limitations actuelles et performances visées pour le futur système
Vitesse scanners linéaires 1 [m/s] => scan 144 bunchs max. (LHC) Précision mesure de position de la fourche (scanners rotatifs) => ≈100 [µm] (PS, PSB, SPS) Robustesse limitée par l’usure des soufflets mécaniques Gamme dynamique limitée de la mesure des particules secondaires => Plusieurs point de fonctionnement Vitesse nominale 20 [m/s] => scan intensité totale du LHC Précision de la mesure angulaire de l’axe < 5 [µm] équivalent Suppression des soufflets et potentiomètre => Toutes les parties mobiles seront sous vide Large dynamique de l’acquisition (nouveau détecteur et développement électronique) BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS

5 Projet de scanner rapide de haute précision
Acteurs Dates Projet N. Chritin, J. De Freitas, B. Dehning, J. Emery, J. Herranz, J. Koopman, M. Koujili, D. Ramos, S. Samuelsson, M. Sapinski, J. Sirvent, C. Pereira, R. Veness, et bientôt d’autre! Sans oublier les systèmes opérationnels, avec notamment: A. Guerrero, D. Gerard, R. Sautier, M. Hamani, C. Vuitton, W. Andreazza, J. Adam, J.J. Gras, L. Jensen, F. Roncarolo, les gens d’ABP et OP et plus… 2008 Investigations conceptuelles Première étude mécanique Investigations moteur-encodeur Développement prototype moteur Développement prototype encodeur optique Seconde étude mécanique Simulation numériques mécanique Début étude sur la vibration du fil BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS

6 BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS
Vitesse du fil (20 [m/s]) comparée a la période de révolution des faisceaux 1 2 3 4 Machine Periode de revolution (max.) Distance parcourue a 20 [m/s] Taille (sigma) de faisceau min. en [mm] user: LHC_pilot points per sigma PSB 0.57 [us] 11.6 [um] 0.4 34 PS 2.3 [us] 46 [um] 0.29 (85V) 6 SPS 23 [us] 460 [um] 0.12 (414V) 0.26 LHC 89 [us] 1.8 [mm] 0.12 0.067 Exemple de mesure LHC 23/04/ :38:33 Sigma = 690um References: Gianluigi Arduini et. al. (LIISB Team), , EDMS , “Measurement of the Transverse Beam Distribution in the LHC Injectors” F. Roncarolo PhD thesis 5 Spécification: 3 points par sigma (fit erreur < 1%) BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS

7 Un concept de scanner sans soufflet
Touts parties mobiles sont uniquement sous vide Force transmise par un champ magnétique a travers une fine barrière de 0.4[mm] Contrôle de position avec un resolver sans enroulements au rotor Mesure précise de la position de l’axe avec un encodeur optique incrémental maison Chambre interne de blindage pour limiter l’effet du faisceau sur le fil et assurer une bonne impédance. 4 2 3 1 5 EN designer N. Chritin BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS

8 Vue éclatée de l’axe avec fourches
Disque lithographié resolver Axe de rotation Fibre optique et focalisateur frein bloquant Moteur Fourche Fil Chambre interne BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS

9 Éléments mécaniques dimensionné par simulations numériques
Simulation de la déformation de la barrière à vide située dans le moteur (max. gap 0.7 [mm]) Épaisseur optimal 0.4 [mm] Torsion maximum de l’axe entre les 2 fourches avec accélération maximum: 5 [µm] fourches : 156 [mm] de long et inertie minimisée. Diamètre optimal 35 [mm] épaisseur 5 [mm] 1 2 Sebastian Samuelsson Thèse de Master en cours (BI-ML) BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS

10 Principe de l’encodeur incrémental à fibre optique
1 4 5 2 3 Utilisation d’une seule fibre optique single-mode (9um) entre la surface et l’instrument Focalisation de la lumière sur un disque avec dessins imprimé par photolithographie Taille des lignes de Ch. réfléchissant 10 [µm] Précision vérifiée avec un encodeur commercial Heidenhain Résolution angulaire après calibration: 144±8 [µRad] Résolution projetée estimée (fourche de 100 [mm]): 14±1 [µm] Traces avec différentes taille de lignes Jose Luis Sirvent Blasco Thèse de Master 2012 (BE-BL) BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS Figure 1: Détail du disque

11 BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS
Validation du principe d’encodeur incrémental à fibre optique sur banc de test 1 2 0.8 [µm] sigma 1.3 [µm] sigma Moyenne des erreurs résiduel de 10 tours Présentation des erreurs résiduelles sous forme d’histogramme Calibration avec Heidenhain RO225 Présentation des erreurs résiduelles sous forme d’histogramme. Calibration avec 2 encodeurs (un de chaque côté du disque) BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS

12 BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS
Etude et minimisation des incertitudes sur la mesure de position du fil Juan Herranz Alvarez Thèse de doctorat (BI-BL) θ Résistance du fil PS scanner BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS

13 Etude et développent de l’actuateur (moteur, encodeur et contrôle)
Mohamed Koujili Thèse de doctorat 2012 (BI-BL) BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS

14 Intégration du prototype dans le banc d’évaluation des performances (2013)
alimentation à découpage et filtrage Ethernet Interface encodeur optique Interface photodiode Mesure des vibrations Calibration avec laser similaire aux bancs PSB et PS BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS

15 BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS
Etude sur l’utilisation d’alimentation a découpage pour le moteur du WS Mandat en cours avec la HEIG-VD d’Yverdon (institue IAI) Modélisation de l’alimentation, filtres, câbles 250m, moteur, CEM Vérification de la stabilité du system de contrôle de position Comparaison avec le système actuel en Février 2013 Un rapport complet sera fournis BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS

16 Vue du contrôle et de l’acquisition du prototype SPS pour la validation avec faisceau
VME CRATE with CPU, TIMMING, DAB+IBMS Acquisition des particules secondaire avec photomultiplicateur classique Ethernet Amplificateur 3-phases Interface encodeur optique Interface longue distance resolver Résistance et vibrations du fil BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS

17 Contrôle et acquisition pour le futur système opérationnel
VME CRATE or NEW STANDARD CPU HV CTRL T IMING Réception BST Interface encodeur optique Lien optique SFP Ethernet lien optique SFP GBT Tunnel electronics Interface longue distance resolver Résistance et vibrations du fil 3-phases PWM Fast integration secondary shower Acquisition des particules secondaire: Détecteur rapide et haute dynamique (Diamant) avec acquisition dédiée Jose Luis Sirvent Blasco PhD commencé Nov (BI-BL) BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS

18 BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS
En résumé Scanner rapide et précis commencé en 2008 Installation prototype durant LS1 dans le SPS Vitesse nominale 20 [m/s] => scan intensité totale du LHC Précision de la mesure angulaire de l’axe < 5 [µm] équivalent Suppression des soufflets et potentiomètre => Toutes les parties mobiles seront sous vide Large dynamique de l’acquisition (nouveau détecteur et développement électronique) A terme, les 31 scanners seront remplacé par ce nouveau système 2013 Livraison prototype mécanique (avril-mai) Intégration sur la plateforme de contrôle Début développement électronique pour la validation avec faisceau SPS Début étude acquisition avec large dynamique Troisième étude mécanique Livraison second prototype (pour SPS) SPS run 2014 Validation prototype avec faisceau SPS Début développement électronique système final Après le run Production des unités pour le PS, SPS (Quatrième étude mécanique pour l’intégration dans les machines LHC et PSB) BI DAY 2012: Wire scanner pour le SPS