El equipo e instrumentación de Diagnóstico captura y analiza la señal producida cuando un haz de electrones relativistas interactúa con su entorno. Se llevan a cabo detallados análisis de esta señal para caracteritzar en detalle el haz de electrones, obteniendo su posición y tamaño transversal, su carga y su distribución longitudinal.

Sistemas como los monitores de posición del haz (BPMs, Beam Position Monitors en inglés), los transformadores de corriente y los monitores del perfil del haz proporcionan información en línea dirigida a ofrecer fotones de alta calidad a les líneas de luz. Otros componentes de diagnóstico como las pantallas de fluorescencia, los limitadores de apertura o los monitores de pérdida del haz se utilizan principalmente para detectar o mejorar la operación de la máquina. Medidas de parámetros indirectos del haz como su energía, los tonos betatrón, el tiempo de vida medio, etc., son herramientas de los físicos de aceleradores para mejorar la operación del Sincrotrón ALBA.

 

Monitores de Posición del Haz y Control de la Órbita

Los Monitores de Posición del Haz miden la posición transversal del haz. Para hacerlo, se mide el voltaje inducido por el campo eléctrico generado por el haz de electrones sobre un electrodo aislado. Para medir la posición del haz se colocan 4 de estos electrodos en forma de cruz en la cámara de vacío y la diferencia de las señales de los electrodos opuestos proporcionan la posición del haz de electrones en cada plano transversal. El Sincrotrón ALBA utiliza los mismos electrodos en forma de botones en todos los BPM instalados en ALBA, tanto en el anillo de propulsión como en el anillo de almacenamiento. Las características de las señales medidas en los botones dependen fundamentalmente de la corriente del haz, de la distribución de los electrones dentro del anillo de almacenamiento y de la geometría de los botones.

 

IM-Accelerators_BMPScheme

Esquema de un monitor de posición del haz.

 

El procesamiento de la señal de los BPMs se hace con una instrumentación electrónica (Libera Brilliance), que proporciona datos de la posición a diferentes velocidades para los distintos sistemas que usan esta señal, como el sistema de control de la órbita, el sistema de protección de la máquina y el análisis post-mortem, entre otros.

El control de la órbita es la función principal de los monitores de posición del haz. El objetivo básico de controlar la trayectoria es mantener la posición del haz dentro del 10% de su tamaño y divergencia en el punto de emisión de radiación sincrotrón. De hecho, la estabilidad del haz es superior a las especificaciones. La posición rms del haz de electrones se mantiene por debajo de 1um tanto en el plano horizontal como en el vertical.

 

Ejemplo de corrección del ruido durante un test FOFB.

Comparación de la posición del haz al cerrarse el espacio de un ondulador de vacío, con y sin corrección de órbita rápida.


Monitores de Corriente de Haz

Tanto el anillo de propulsión como el anillo de almacenamiento están equipados con un Transformador Rápido de Corriente (FCT, Fast Current Transformer) y  un Transformador de Corriente DC (DCCT). El FCT es un transformador no-interceptivo que mide la intensidad del haz de electrones a partir del flujo magnético inducido en una bobina secundaria que utiliza el haz de electrones como bobina primaria. El FCT tiene un ancho de banda entre 1.5kHz and 2GHz. El DCCT es capaz de medir señales hasta los niveles del DC utilizando una retroalimentación activa con una resolución rms de 5μA.

La combinación de estos dos tipos de transformadores de corriente nos permite determinar la corriente total del haz de electrones y su distribución longitudinal (ver gráfico).

 

IM-ACCELERATORS_BeamCurrentMonitor

Imagen del haz de electrones en un osciloscopio determinado mediante el FCT. Se muestra un haz de electrones compuesto de 10 grupos de 32 paquetes de electrones cada uno, donde cada paquete está separado 2 ns.

 

 

Monitores de Radiación Sincrotrón en el Anillo de Propulsión 

Para obtener una imagen del haz de electrones se utiliza la luz que se produce cuando el haz de electrones atraviesa el imán dipolar. En el anillo de propulsión, ésto se hace con los Monitores de Radiación Sincrotrón. La radiación deja la cámara de vacío a través de una ventana de zafiro y, de todo el espectro, se selecciona la parte visible con un espejo de silicio. Una lente focaliza la luz sobre una cámara CCD, en la que se forma la imagen del haz. Haciendo un barrido del tiempo de activación de la CCD, se obtiene la evolución del tamaño del haz de electrones durante su aceleración en el anillo de propulsión (ver gráfico).

 

Imágenes del haz de electrones en diferentes momentos durante la aceleración en el anillo de propulsión. Las escalas horizontales y verticales de cada imagen son mm.

Cámara oscura de rayos X

En el anillo de almacenamiento, el tamaño del haz es tan pequeño que visualizarlo con luz visible  (como se hace en el anillo de propulsión) está limitado por el efecto de la difracción y se utiliza otro sistema basado en una cámara oscura de rayos X. En este sistema, la luz pasa por un pequeño agujero y proyecta una imagen invertida en el plano de la imagen del sistema.  

En ALBA, este agujerito - de 10x10 micrometros- deja pasar la banda de los rayos X duros (sobre 45keV) de la radiación sincrotrón. De la imagen obtenida, conseguimos el tamaño del haz de electrones y calculamos su emitancia.

 

Imagen del haz de electrones obtenida utilizando una cámara oscura de rayos X. Analizando esta imagen se puede obtener el tamaño del haz y su emitancia. 

Otros componentes de diagnóstico

  • Pantallas de fluorescencia
  • Scrapers o limitadores de apertura
  • Striplines
  • Fast Feedback Kickers
  • Monitores de pérdida del haz
  • Tonos betatrón
  • Pureza de la distribución de electrones en paquetes
  • Detectores de rayos X
  • Streak Camera