plouviez

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
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
éléments sous
vide
-plan vertical
seulement
-peu sensible
Vue de profil
Vue de face
Fenetre en saphir
f=300
f=300
filtres
filtres
CCD
CCD
Image du
faisceau en
fin de TL1
pour
différentes
valeur du
courant du
septum
19mm
Taille du faisceau [fwhm um] & energie [MeV]en fonction
Du temps[ms] , mauve=hor. jaune=vert.
8000
7500
7000
6500
6000
5500
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Capteurs de rayons X dans l’air
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

Ec=20KeV
1,E+14
1,E+12
1,E+10
X-rays
capteur
X dans
l’air
1,E+08
IR
Vis.
1,E+06
1,E+04
1,E+02
1,E+00
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
100
1000
Une faible partie (~2.10-6 = 250uW/mrad)
traverse l’absorbeur: Xrays >150KeV
Vue de profil dans le plan vertical du
faisceau
horizontal
vertical
Profil vertical
Temps d’intégration= 1 milliseconde
Taille vertivale projetée [fwhm um] d=1.92m E=170KeV
170
160
2 Points de mesure
150
140
130
120
Courbe théorique
110
100
90
80
0
10
20
30
40
50
60
70
émittance verticale [pm]
80
90
100
Moniteur à lames dans l’air, pour des mesures de
déplacement verticaux du faisceau (bv=35m)
Installé dérriere l’absorbeur de la cellule 5
Feedback arreté
+ 26nm(rms)@110Hz (bv=35m)
Moniteur à lames dans l’air, pour des mesures de
déplacement verticaux du faisceau (bv=35m)
Installé dérriere l’absorbeur de la cellule 5
Raie de 26nm a 110 Hz:
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)
Détection 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 différentielles
utilisant des striplines
Tinj (rs422)
Striplines
ZFSC-3-1
TL1
3 way
30dB
combiner
ZRL-400
ZHL-1A
Filter
16dB
352MHz
SY
TL2begin
RF switch 3 way
/10Hz splitter
16dB
ZFSC-3-1
ZASWA-2-50DR
2 way
combiner30dB
SR
ZHL-1A
ZRL-400
Filter
352MHz
FPGA Board
(Libera)
16dB
ZHL-1A
ZX10-2-12
Cables a faible
perte
2 way
combiner30dB
ZX10-2-12
Filter
352MHz
ZRL-400
Préconditionement RF
TL2end
cPCI rack cr114
Efficacité d’injection:
algorithme du DSP décrit avec Simulink pour
programmer le FPGA

L’efficacité d’injection est
donnée par le rapport:
<TL2 X DSR>
<TL2 X TL2>
Correlation
block
Qu’est-ce qu’un FPGA?
DSP: logique séquentielle–
Architecture Von Neumann
FPGA – logique cablée:
intrinsequement parallele et rapide
Traitement du signal
Fréquence
d’acquisition
>10Gs/s
Scope et PC
integre
Carte ADC
+FPGA
>100 Ms/s
Carte ADC Carte ADC
+CPU PC + DSP
10Ks/s
1Ks/s
10Ks/s
Vitesse de traitement
>100 Ms/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
C60 Floating point
DSP
BPMs:
(2 BPMs/ distance: 5m)
32BPMs
24 correcteurs
Correction verticale
et horizontale
100Hz de bande
passante
C40 links
C40 ports / taxi bus
interface
correcteurs:
Front end DSP:
Effet dans le plan vertical:
Gauche: sans feedback
Droite: avec feedback
Valeur rms : intégrée entre .1 et 200Hz
Feedback longitudinal
Amortissement des instabilitées induites par les
modes superieurs des cavitées RF:
Détection de phase
Passe
bas 200
MHz
S
ADC
Processeur
FPGA
Sortie DAC
Cavité 1.2 GHz >1.4GHz
Horloge
fRFX4
Modulateur
QPSK
Ampli de puissance 1.4 GHz
Horloge
RF
Traitement paquet par paquet:

Acquisition a 352.2MHz: 4 ADC 14 bits 88Msps
en paralelle.
 Traitement: sur chaque paquet, moyennage sur
60 tours, filtre FIR centré sur fs (déphasage de
p/4)
 Génération du signal de correction par un DAC
352.2MHz (bande passante 176.1MHz)
 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 . . .