L'equipament i instrumentació de Diagnòstic captura i analitza el senyal produït quan un feix d'electrons relativistes interactua amb el seu entorn. Es duen a terme anàlisis acurats d'aquest senyal per caracteritzar en detall el feix d'electrons, obtenint la seva posició i mida transversal, la seva càrrega i la seva distribució longitudinal.

Sistemes com els monitors de posició del feix (BPMs, Beam Position Monitors en anglès), els monitors de corrent del feix i els monitors del perfil del feix proporcionen informació en línia dirigida a oferir fotons d'alta qualitat a les línies de llum. Altres components de diagnòstic com les pantalles de fluorescència, els escapçaladors o limitadors d'apertura o els monitors de pèrdua de feix s'utilitzen principalment per detectar o millorar l'operació de la màquina. Mesures de paràmetres indirectes del feix, com la seva energia, les tons betatró, el temps de vida mitja, etc., són eines dels físics d'acceleradors per millorar l'operació del Sincrotró ALBA.

Monitors de Posició del Feix i Control de l'Òrbita

Els Monitors de Posició del Feix aporten la posició transversal del feix. Per fer-ho es mesura el voltatge induït pel camp elèctric generat pel feix d'electrons sobre un electrode aïllat. Per mesurar la posició del feix es col·loquen 4 d'aquests electrodes en forma de creu a la càmara de buit i la diferència dels senyals dels electrodes oposats proporciona la posició del feix d'electrons en cada pla transversal. L'ALBA utilitza els mateixos electrodes en forma de botons a tots els BPM instal·lats a ALBA, tant a l'injector com a l'anell d'emmagatzematge. Les característiques del senyal mesurat en els botons depèn fonamentalment del corrent del feix, de la distribució dels electrons dins l'anell d'emmagatzematge i de la geometria dels botons.

 

IM-Accelerators_BMPScheme

Esquema d'un monitor de posició del feix.

 

El processament del senyal dels BPMs es fa amb instrumentació electrònica (Libera Brilliance), que proporciona dades de la posició a diferents velocitats per diferents sistemes que utilitzen aquest senyal, com ara el sistema de control de l'òrbita, el sistema de protecció de la màquina, l'anàlisi post-mortem.

El control de l'òrbita és la funció principal dels Monitors de Posició del Feix. L'objectiu bàsic de controlar la trajectòria és mantenir la posició del feix dins del 10% de la seva mida i divergència al punt d'emissió de radiació sincrotró. De fet l'estabilitat del feix és superior a les especificacions. La posició rms del feix d'electrons es manté per sota de 1 um tant en el pla horitzontal com en el vertical.

Exemple de correcció del soroll durant un test FOFB.


Comparació de la posició del feix al tancar-se l'entreferro d'un undulador de buït, amb i sense correció d'òrbita ràpida.

Monitors de Corrent de Feix

Tant l'anell de propulsió com l'anell d'emmagatzematge estan equipats amb un Transformador Ràpid de Corrent (FCT, Fast Current Transformer) i un Transformador de Corrent DC (DCCT). L'FCT és un transformador no-interceptiu que mesura la intensitat del feix d'electrons a partir del flux magnètic induït en una bobina secundària degut al feix d'electrons que actua de bobinat primari.  El FCT té un ample de banda entre 1.5kHz i 2GHz. El DCCT és capaç de mesurar senyals fins a nivells del DC utilitzant una retroalimentació activa amb una resolució rms de 5μA.

La combinació d'aquests dos tipus de transformadors de corrent ens permet determinar el corrent total del feix d'electrons i la seva distribució longitudinal (veure gràfic). 

 

IM-ACCELERATORS_BeamCurrentMonitor

Imatge del feix d'electrons en un oscil·loscopi determinat mitjançant el FCT. Es mostra un feix d'electrons composat de 10 grups de 32 paquets d'electrons cadascun, on cada paquet està separat 2 ns.

Monitors de Radiació Sincrotró a l'Anell de Propulsió

Per obtenir una imatge del feix d'electrons s'utilitza la llum que es produeix quan el feix d'electrons travessa l'imant dipolar. A  l'anell de propulsió, això es fa amb els Monitors de Radiació Sincrotró. La radiació deixa la cambra de buït a través d'una finestra de safir i, de tot l'espectre, es selecciona la part del visible amb un mirall de silici. Una lent focalitza la llum a la càmera CCD, on es forma la imatge del feix. Controlant el temps d'activació de la CCD, s'obté l'evolució del feix d'electrons durant la seva acceleració a l'anell de propulsió (veure gràfic).

 

Imatges del feix d'electrons en diferents moments durant l'acceleració dels electrons a l'anell de propulsió. Les escales horitzontals i verticals de cada imatge són mm.

 

Càmera obscura de raigs X

A l'anell d'emmagatzematge, la mida del feix d'electrons és tan petita que visualitzar-la amb llum visible (com es fa a l'anell de propulsió) està limitat per l'efecte de la difracció i s'utilitza un altre sistema basat en una càmera obscura. En aquest darrer sistema, la llum passa per un petit forat i s'obté una imatge invertida al pla de la imatge del sistema.  

A l'ALBA, aquest foradet, de 10x10 micròmetres, deixa passar la banda dels raigs X durs (sobre 45keV) de la radiació sincrotró. De la imatge obtinguda, aconseguim la mida del feix d'electrons i calculem l'emitància del feix.

 

Imatge del feix d'electrons obtinguda utilitzant un càmera obscura de raigs X. Analitzant aquesta imatge es pot obtenir la mida del feix i la seva emitància. 

Altres components de diagnòstic

  • Pantalles de Fluorescència
  • Escapçadors o limitadors d'apertura
  • Striplines
  • Fast Feedback Kickers
  • Monitors de Pèrdua del feix
  • Mesuradors del to betatró
  • Puresa de la distribució d'electrons en paquets
  • Detectors de raigs X
  • Streak Camera