Publication: New developments of high current beam profile monitors for ion accelerators applied to fusion material research
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Publication Date
2020-03-26
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Universidad Complutense de Madrid
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Abstract
Today particle accelerators have become key instruments in different areas, from materials science to healthcare. While many more disciplines find in them a tool suited to their needs, they must specialize and adapt to produce new types of particle beams. In the case of ion accelerators, the need for higher currents and powers to increase secondary particle production pushes classic diagnostics to their limit. When the beam profile is measured in these high current and power accelerators, the interceptive diagnostics are not capable of withstanding the high power deposition and are destroyed, hence the need for other types of diagnostics, in order to measure and monitor the profile. With high current beams there are different methods, all of them minimally invasive, based on the interaction of the beam with external particles. In this work we will focus on how to use the fluorescence light emitted in the electronic transitions caused by the action of the beam on the atoms and / or molecules of the surrounding gas, either the residual left by the vacuum or injected externally. The present work begins with several introductory chapters on the subject, where a justification of the current needs for accelerators is given, followed by an overview of the different beam diagnoses. Then it focuses on the theoretical and practical aspects of Fluorescence Profile Monitors. The discussion moves to the different effects that produce a distortion of the beam profile, with a special emphasis on the drift of excited particles before decaying to stable levels emitting photons, presenting two approaches to correct the profile measurements. The following chapters deal with about the experimental work done. The results obtained during one of the start-up stages of the LIPAc accelerator injector are presented first, where the profiles acquired with an intensified CID camera and a Doppler spectrometer are analyzed and compared with those obtained with an Allison scanner. Due to the minimal configuration of the ion source, with the diagnostics located just behind the acceleration column, much information could be obtained about the working conditions of the injector. The discussion then moves on to the design of the Fluorescence Profile Monitors for the high radiation areas of the DONES deuteron accelerator, where the high radiation dose and the strict beam requirements push the capabilities of the current Profile Monitors to the limit. Fluorescence. Finally, the design, manufacture and results of an experiment to measure the impact of different gases and lithium vapor on the profiles measured with protons of various energy MeVs are presented, where extensive work has been carried out to guarantee a Safe system due to the presence of liquid metals and compatible with the flexibility required by scientific needs. The thesis ends highlighting the main conclusions of the work carried out. In the profile distortion section, the validity of the method is correct and is in agreement with the results of the simulations when the initial assumptions are fulfilled. The results obtained during the start-up of the LIPAc injector have been of great help, since they showed a misalignment in the acceleration electrodes, as well as inconsistencies between the measurement of the fluorescence profile and that obtained with the EMU. Finally, the conclusions and future steps in the design of the new Fluorescence Profile Monitor for the high radiation areas of DONES are presented, together with the associated experiment, highlighting the importance of the radiation background in the performance of the detector.
Actualmente los aceleradores de partÃculas se han convertido en instrumentos clave en diferentes áreas, desde la ciencia de materiales hasta la sanidad. Mientras muchas más disciplinas encuentran en ellos una herramienta adecuada a sus necesidades, ellos deben especializarse y adaptarse para producir nuevos tipos de haces de partÃculas. En el caso de los aceleradores de iones, la necesidad de mayores corrientes y potencias para incrementar la producción de partÃculas secundarias lleva a los diagnósticos clásicos a su lÃmite. Cuando se mide el perfil del haz en esos aceleradores de alta corriente y potencia los diagnósticos interceptivos no son capaces de aguantar la elevada deposición de potencia y son destruidos, surgiendo de ahà la necesidad de otro tipo de diagnósticos.Para poder medir y monitorizar el perfil con haces de alta corriente existen diferentes métodos, todos ellos minimamente invasivos, basados en la interacción del haz con partÃculas externas. En este trabajo nos centraremos en cómo usar la luz de fluorescencia emitida en las transiciones electrónicas provocadas por la acción del haz en los átomos y/o moléculas del gas circundante, bien sea el residual dejado por el vacÃo o inyectado externamente. El presente trabajo empieza con varios capÃtulos de introducción en la materia, donde se da una justificación de las necesidades actuales de aceleradores, seguida de una visión general de los diferentes diagnósticos del haz. Después se centra en los aspectos teóricos y prácticos de los Monitores de Perfil de Fluorescencia. La discusión se desplaza a los diferentes efectos que producen una distorsión del perfil del haz, con un énfasis especial en la deriva de partÃculas excitadas previa a decaer a niveles estables emitiendo fotones, presentándose dos aproximaciones para corregir las medidas del perfil.Los siguientes capÃtulos versan sobre el trabajo experimental realizado. Primero se presentan los resultados obtenidos durante una de las etapas de puesta en marcha del inyector del acelerador LIPAc, donde los perfiles adquiridos con una cámara CID intensificada y un espectrómetro Doppler se analizan y comparan con los obtenidos con un escáner Allison. Debido a la configuración mÃnima de la fuente de iones, con los diagnósticos situados justo detrás de la columna de aceleración, se pudo obtener mucha información acerca de las condiciones de trabajo del inyector. La discusión se desplaza a continuación al diseño de los Monitores de Perfil de Fluorescencia para las áreas de alta radiación del acelerador de deuterones DONES, donde la elevada dosis de radiación y los estrictos requerimientos del haz llevan al lÃmite las capacidades de los actuales Monitores de Perfil de Fluorescencia. Para finalizar, se presenta el diseño, fabricación y los resultados de un experimento para medir el impacto de diferentes gases y vapor de litio en los perfiles medidos con protones de varios MeV de energÃa, donde un amplio trabajo se ha llevado a cabo para garantizar un sistema seguro debido a la presencia de metales lÃquidos y compatible con la flexibilidad requerida por las necesidades cientÃficas. La tesis finaliza destacando las conclusiones principales del trabajo realizado. En el apartado de distorsión del perfil, la validez del método es correcta y está de acuerdo con los resultados de las simulaciones cuando se cumplen las suposiciones iniciales. Los resultados obtenidos durante la puesta en marcha del inyector de LIPAc han sido de gran ayuda, dado que mostraron un desalineamiento en los electrodos de aceleración, asà como inconsistencias entre la medida del perfil de fluorescencia y el obtenido con el EMU. Finalmente, se presentan las conclusiones y futuros pasos en el diseño del nuevo Monitor de Perfil de Fluorescencia para las áreas de elevada radiación de DONES, junto con el experimento asociado, destacando la importancia del fondo de radiación en el rendimiento del detector.
Actualmente los aceleradores de partÃculas se han convertido en instrumentos clave en diferentes áreas, desde la ciencia de materiales hasta la sanidad. Mientras muchas más disciplinas encuentran en ellos una herramienta adecuada a sus necesidades, ellos deben especializarse y adaptarse para producir nuevos tipos de haces de partÃculas. En el caso de los aceleradores de iones, la necesidad de mayores corrientes y potencias para incrementar la producción de partÃculas secundarias lleva a los diagnósticos clásicos a su lÃmite. Cuando se mide el perfil del haz en esos aceleradores de alta corriente y potencia los diagnósticos interceptivos no son capaces de aguantar la elevada deposición de potencia y son destruidos, surgiendo de ahà la necesidad de otro tipo de diagnósticos.Para poder medir y monitorizar el perfil con haces de alta corriente existen diferentes métodos, todos ellos minimamente invasivos, basados en la interacción del haz con partÃculas externas. En este trabajo nos centraremos en cómo usar la luz de fluorescencia emitida en las transiciones electrónicas provocadas por la acción del haz en los átomos y/o moléculas del gas circundante, bien sea el residual dejado por el vacÃo o inyectado externamente. El presente trabajo empieza con varios capÃtulos de introducción en la materia, donde se da una justificación de las necesidades actuales de aceleradores, seguida de una visión general de los diferentes diagnósticos del haz. Después se centra en los aspectos teóricos y prácticos de los Monitores de Perfil de Fluorescencia. La discusión se desplaza a los diferentes efectos que producen una distorsión del perfil del haz, con un énfasis especial en la deriva de partÃculas excitadas previa a decaer a niveles estables emitiendo fotones, presentándose dos aproximaciones para corregir las medidas del perfil.Los siguientes capÃtulos versan sobre el trabajo experimental realizado. Primero se presentan los resultados obtenidos durante una de las etapas de puesta en marcha del inyector del acelerador LIPAc, donde los perfiles adquiridos con una cámara CID intensificada y un espectrómetro Doppler se analizan y comparan con los obtenidos con un escáner Allison. Debido a la configuración mÃnima de la fuente de iones, con los diagnósticos situados justo detrás de la columna de aceleración, se pudo obtener mucha información acerca de las condiciones de trabajo del inyector. La discusión se desplaza a continuación al diseño de los Monitores de Perfil de Fluorescencia para las áreas de alta radiación del acelerador de deuterones DONES, donde la elevada dosis de radiación y los estrictos requerimientos del haz llevan al lÃmite las capacidades de los actuales Monitores de Perfil de Fluorescencia. Para finalizar, se presenta el diseño, fabricación y los resultados de un experimento para medir el impacto de diferentes gases y vapor de litio en los perfiles medidos con protones de varios MeV de energÃa, donde un amplio trabajo se ha llevado a cabo para garantizar un sistema seguro debido a la presencia de metales lÃquidos y compatible con la flexibilidad requerida por las necesidades cientÃficas. La tesis finaliza destacando las conclusiones principales del trabajo realizado. En el apartado de distorsión del perfil, la validez del método es correcta y está de acuerdo con los resultados de las simulaciones cuando se cumplen las suposiciones iniciales. Los resultados obtenidos durante la puesta en marcha del inyector de LIPAc han sido de gran ayuda, dado que mostraron un desalineamiento en los electrodos de aceleración, asà como inconsistencias entre la medida del perfil de fluorescencia y el obtenido con el EMU. Finalmente, se presentan las conclusiones y futuros pasos en el diseño del nuevo Monitor de Perfil de Fluorescencia para las áreas de elevada radiación de DONES, junto con el experimento asociado, destacando la importancia del fondo de radiación en el rendimiento del detector.
Description
Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias FÃsicas, Departamento de Estructura de la Materia, FÃsica Térmica y Electrónica, leÃda el 29-11-2019