Design of non-invasive profile monitors for the ESS proton beam
Description
The European Spallation Source (ESS) will be a research infrastructure dedicated to sciences using neutrons as probes. The source is currently under construction in Lund, Sweden, and will be the world's brightest pulsed source of neutrons. As its name suggests, the production of neutrons is ensured by the spallation process: high energy protons will impinge a tungsten target. To accelerate the protons, a powerful 2 GeV linear accelerator is being built. The accelerator can be split in two parts. A 'hot' part is responsible for acceleration up to 90 MeV. Then a 'cold' part made of superconducting cavities cooled with liquid helium is used to reach the highest energies. The high intensity of 62.5 mA and he long pulse of 2.86 ms repeated 14 times per second, lead to an incredible beam power of 5 MW in average and 125 MW in peak. The knowledge of the beam is therefore mandatory to ensure the commissioning, i.e. the beam tuning in order to achieve a proper and safe functioning of the machine. Different diagnostics will be installed along the accelerator to fulfil these tasks. This thesis deals with the development of a non-invasive transverse profiler for the cold part of the ESS accelerator: the Ionization Profile Monitor (IPM). The thesis focuses on critical aspects of the IPMs to guarantee its feasibility in ESS beam conditions. These monitors are based on the ionization of the residual gas induced by the proton beam inside the beam pipe. A transverse electrical field is generated between both parallel plates of the IPM. The electrons or ions drift, with respect to the electric field, towards a segmented detector allowing the reconstruction of the beam profile in one transverse direction. For a complete transverse profile, it is necessary to add a second profiler tilted by 90 degrees. Several challenges for facing IPM to the ESS conditions, which may compromise their use, are described:- the weak counting rates due to the low ionization cross-sections at high energy (90 to 2000 MeV) and to the low residual gas pressure of 10-9 mbar,- the electric field homogeneity inside the IPM, which is relevant for insuring a precise profile measurement, was not obvious in the narrow vacuum chambers devoted to them,- the large Space Charge Effect of the beam, distorting the measured profile by deviating the ionization by-product trajectories. This fundamental aspect may compromise the use of an IPM for beam profile measurements. Once these former studies done, we selected the three reliable read-out systems based on:- conductive strips read by a multichannel charge integrator,- micro-channel plates coupled with phosphor screen (pMCP),- a silicon detector developed at CERN and foreseen for the future PS beam profiler. This work was the object of the Preliminary Design Review (PDR 2017/01) marking the beginning of the construction phase of the different prototypes. Preliminary tests discarded the possibility of using silicon detectors due to the low ion energies. Starting from scratch, IPMs, reference monitors and a test bench were designed and installed at the IPHI proton accelerator at Saclay. Close ESS conditions were achieved to validate an IPM solution and our simulations. The test campaigns showed that an MCP is mandatory to detect signal. Moreover, the optical IPM (pMCP + Camera) is the preferred solution since it provides higher sensitivity. Feedbacks from the prototype test campaigns, allows us to deliver an IPM final design presented during the Critical Design Review (CDR 2019/02) leading to the beginning of the production phase. (author)
Abstract (French)
La source europeenne de spallation (ESS) sera une infrastructure de recherche devolue aux sciences utilisant les neutrons comme sonde d'observation. Elle est actuellement en construction a Lund, en Suede, et sera la plus brillante des sources de neutrons pulsees au monde. Comme son nom l'indique, la production des neutrons est assuree par les processus de spallation: des protons a haute energie bombardant une cible de tungstene. Le faisceau de protons est genere par un puissant accelerateur lineaire de 2 GeV qui peut etre divise en deux parties : une partie 'chaude' qui accelere les protons jusqu'a 90 MeV, suivie d'une partie 'froide' constituee de cavites supraconductrices refroidies a l'helium liquide, permettant d'atteindre les 2 GeV. La forte intensite de 62.5 mA et la longue impulsion de 2,86 ms repetee 14 fois par seconde, conduisent a une puissance moyenne de faisceau de 5 MW et une puissance crete de 125 MW. La connaissance du faisceau est donc indispensable pour la mise en service, c'est-a-dire le reglage du faisceau afin d'assurer un fonctionnement correct et sur de la machine. Differents diagnostics seront installes le long de l'accelerateur pour remplir ces taches. Cette these traite du developpement d'un profileur transverse non invasif pour la partie froide de l'accelerateur de ESS : les Ionization Profile Monitors (IPM). La these se concentre sur les aspects critiques des IPM afin de s'assurer de leur faisabilite dans les conditions du faisceau de ESS. Ces moniteurs sont bases sur l'ionisation induite par le passage des protons du gaz residuel present dans le tube de l'accelerateur. Un champ electrique est applique entre deux plaques paralleles de l'IPM. Les electrons ou les ions derivent vers un detecteur segmente permettant de reconstruire le profil dans une direction transverse du faisceau. Plusieurs defis, qui auraient pu compromettre l'utilisation des IPM pour les mesures des profils de faisceau a ESS, sont decrits : - Les faibles taux de comptage dus aux faibles sections efficaces d'ionisation a haute energie (90 a 2000 MeV) ainsi qu'aux basses pressions du gaz residuel de l'ordre de 10-9 mbar,- L'homogeneite du champ electrique a l'interieur de l'IPM, essentiel pour assurer des mesures de profils precises mais difficile pour les chambres a vide etriquees des IPM,- L'importante charge d'espace du faisceau, qui distord le profil mesure en deviant les trajectoires des produits d'ionisation. Cet aspect fondamental peut remettre en cause l'utilisation d'IPM pour faire des mesures fiables de profil de faisceau. Une fois ces etudes terminees, nous avons selectionne trois systemes de lecture fiables, bases sur :- des pistes conductrices lues par un integrateur de charge multicanal,- des detecteurs a micro-canaux couples a un ecran phosphore (pMCP),- un detecteur de silicium developpe au CERN, et utilise en particulier pour le futur profileur du faisceau du PS. Ces etudes ont fait l'objet d'une Revue de Conception Preliminaire (PDR 2017/01) marquant le debut de la construction des differents prototypes. Les tests preliminaires ont ecarte la possibilite d'utiliser des detecteurs au silicium en raison des trop faibles energies des ions incidents. En partant de zero, des IPM, des moniteurs de reference et un banc d'essai ont ete concus et installes sur l'accelerateur de protons IPHI a Saclay. Les conditions experimentales de ESS ont ete reproduites afin de valider une solution pour les IPM, ainsi que tester nos modeles. Les campagnes de test ont montre qu'un MCP etait necessaire pour detecter le signal d'ionisation. De plus, l'IPM optique (pMCP + camera) est la solution recommandee car elle offre une sensibilite plus elevee. Le retour d'experience accumule lors des tests des prototypes, nous a permis de proposer une conception quasi finale d'un IPM, presentee lors de la Revue Critique de Conception (CDR 2019/02), menant au debut de la phase de production
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Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Conception de profileurs non invasifs pour le faisceau de protons de ESS
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 219 p.
- Report number
- FRCEA-TH--13165
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 52064370
- Subject category
- S43: PARTICLE ACCELERATORS;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ELECTRIC FIELDS; LINEAR ACCELERATORS; NEUTRON PROBES; PARTICLE PRODUCTION; PROTONS; RADIATION DETECTORS; SENSITIVITY; SPALLATION
- Descriptors DEC
- ACCELERATORS; BARYONS; ELEMENTARY PARTICLES; FERMIONS; HADRONS; MEASURING INSTRUMENTS; NUCLEAR REACTIONS; NUCLEONS; PROBES
Optional Information
- Notes
- 187 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses