Système de centrage automatique pour un faisceau d'accélérateur

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Nuclear Instruments and Methods in Physics Re,catch 219 ( 1984~ .456 46¢~ North-Holland, Ar~t~tert]all~

SYSTEME

DE CENTRAGE AUTOMATIQUE

POUR UN FAISCEAU D'ACCi~LI~RATEUR *

A l a i n COTI~, J e a n P O U L I O T , R r j e a n L A B R I E , R e n 6 R O Y e t R i c h a r d B E R T R A N D Laboratoire de Physique Nuclbaire, Dbpartement de Physique. Universitb LavaL Quebec, GlK 7P4, Canada Requ le 15 juin 1983

An automatic beam centering system has been developed for a Van de Graaff accelerator. The precise beam alignment and long term stability needed for polarization experiments are achieved with a small switching magnet coupled to a feedback control. Necessary electronic circuits designed in our laboratory are presented.

1. Introduction

2. Caract~ristiques et prineipe d'op~ration

Lors de mesures exp6rimentales en physique nucl6aire r6alisb,es /l l'aide d ' u n faisceau de particules chargb.es produit par un acc616rateur, il est important de connaitre et, en particulier, de bien contr61er la position de ce faisceau au point des mesures. De fa~on g6n6rale, la lecture de courant sur des ensembles de fentes qui drfinissent la trajectoire va founir l'information adequate aux correctifs requis pendant le drroulement des exprriences. Le contrrle de la position doit 6tre d'autant plus prrcis et fiable qu'une haute prrcision angulaire est requise dans les mesures. Par exemple, des mesures de polarisation de particules nuclraires 6mises dans une rraction, puisque l'information est obtenue ~ partir d'une diffusion sur une deuxi6me cible qui sert d'analyseur [1 ], exigent un trrs bon alignement des composantes gromrtriques du montage exprrimental et une excellente stabilitr, sur plusieurs heures, de la position du faisceau. Cette polarisation est tirre de l'asymrtrie gauche-droite de la deuxirme diffusion; par cons6 quent, il faut 61iminer les asym&ries instrumentales causres par un faisceau mal align6 ou par une trajectoire instable dans le temps [2]/t cause de variations alratoires importantes. Dans le but d'op6rer la nouvelle installation [3] de polarimrtrie au Laboratoire de Physique Nuclraire de l'Universit6 Laval dans des conditions optimales, nous avons drvelopp6 un systrme correcteur qui asservit la position du faisceau en la fixant dans le plan horizontal.

2.1. Ligne h faisceau

2.2. Description g~nkrale

* Travail rralis6 grfice/~ l'appui du C.R.S.N.G. (Canada) et du Minist&e de l'Education (Quebec).

Une premiere &ape [5] a consist6 /t developper des circuits somme et diviseur pour permettre la visualisation de la somme et du rapport gauche/droite des deux lectures de courant obtenues de la cage de Faraday divisre selon la verticale (fig. 1). En second lieu, afin de minimiser ad6quatement les perturbations de trajectoire

0167-5087/84/$03.00 © Elsevier Science Publishers B.V. (North-Holland Physics Publishing Division)

Les composantes d'alignement de la ligne de faisceau (voir fig. 1) consistent principalement en trois ensembles de fentes oprr~es indrpendamment duns les plans horizontal et vertical, en une pointe placre au centre de rotation de la chambre ~ diffusion et en un quartz situ~ entre la chambre et la cage de Faraday [1]. La ligne verticale drfinie par les parties gauche et droite de cette dernirre est alignre sur l'axe de symrtrie des autres composantes /~ l'aide d'un throdolite dont la !igne de r6f6rence s'6tablit ~ partir d'une lentilte quadrupolaire bien centr6e sur la trajectoire du faisceau. Deux ensembles de ces fentes peuvent servir a 6tablir la distribution de l'intensit6 du faisceau dans le plan perpendiculaire sa direction [4]. La position verticale de la trajectoire du faisceau est pratiquement fixe grfice aux fentes de stabilisation situ6es /i la sortie de l'aimant d'analyse lui-m6me plac6 sous l'accbl6rateur Van de Graaff de 7.5 MV mont6 verticalement. Par contre, les vibrations du terminal, l'oscillation du tube d'acc616ration et les variations des blocs d'alimentation des plaques de centrage au terminal ou/~ la sortie du tube d'accbl6ration vont contribuer moduler la position du faisceau dans le plan horizontal.

A. Cft~ et aL / Syst#me de centrage automatique

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Fig. 1. Diagramme fonctionnel du systCme de centrage automatique du faisceau. Les courants I o et I D reprrsentent le faisceau interceptb respectivement par les collecteurs de gauche et de droite dans la cage de Faraday.

d a n s le plan horizontal, nous avons rralis6 un circuit d'asservissement qui assure le centrage a u t o m a t i q u e du faisceau sur la cage de Faraday. U n d i a g r a m m e

fonctionnel complet est illustr6 /t la fig. 1. Les deux c o u r a n t s I G e t I D, sorties des 61ectrom~tres Ortec 439, fournissent l'inforrnation nrcessaire au circuit d'asser-

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458

A. C6te et al. / Syst6me de centrage automatique

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Fig. 3. Circuit d'alarme et de commande de l'ordinateur. La borne 3 du comparateur a fen~tre sert d'entr~e au circuit de comparaison analogique donn~ sur la fig. 4.

vissement comme suit: le rapport 1 D / I G donn~ par le diviseur analogique est compar~/~ une valeur de r6f~rence par le comparateur analogique et la difference e est amplifi6e d'un g a i n G pour faire varier le courant I o de l'aimant d~flecteur dont le champ magn~tique B va

BORNE 3 DU COMPARA- > TEUR A FEN~TRE

changer la trajectoire du faisceau. Le gain G de l'amplificateur bipolaire de courant est fix6 de faqon assurer un c o m p r o m i s satisfaisant au dilemme stabilit6-prbcision [6] et h 6viter le pompage de l'asservissement. La sortie du diviseur analogique est aussi

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Fig. 4. Circuit de comparaison analogique. Le signal d'erreur e est conditionn~ par l'amplificateur bipolaire (fig. 5).

A. C&t#et a L I Systbme de centrage automatique

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Fig. 5. Schema electronique de l'amplificateur bipolaire & courant constant.

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AVEC ASSERVISSEMENT

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J t t -1095 580 75 IO0 125 TEMPS (sec) b Fig. 6. (a) Enregistrement simultane de l'intensite totale du faisceau F. = G + D (axe de gauche) et du rapport des intensites de gauche et de droite R = G/D (axe de droite). Une division de raxe horizontal represente 1/3 s. Ces courbes sont le resultat d'une mesure obtenue avec centrage manuel du faisceau, sans utilisation du deflecteur magnetique. (b) Comme la fig. 6a, mais avec le systeme asservi en operation. A remarquer le changement d'echelle pour la presentation du rapport R. z

0

0

t 25

utilis~e dans un c o m p a r a t e u r / l fen~tre dont les limites sup6rieure et inf6rieure sont ajustables ind6pendamment. Cette fen~tre permet de contrbler l'acquisition des donn6es & l'ordinateur qui survient seulement quand le rapport des courants demeure & l'int6rieur des limites choisies. Des alarmes sonore et visuelle sont enclench~es lorsque la valeur du rapport exc~de la plage s6lectionn6e. 2.3. Electronique Les fig. 2 - 5 donnent le schema des diverses composantes 61ectroniques mises au point en notre laboratoire pour r6aliser le syst~me asservi de centrage de faisceau. La fig. 2 pr~sente le circuit 6lectronique du module qui contient le diviseur analogique et le circuit somme des deux courants 1G et I D obtenus des deux collecteurs de la cage de Faraday divis6e. La fig. 3 sch6matise le circuit autour du comparateur /t fen~tre donn~ sur le diagramme de la fig. 1, qui comprend les deux alarmes et le contrble du syst~me d'acquisition. La borne 3 du comparateur est reliee au circuit de comparaison analogique (fig. 4) qui engendre le signal d'erreur e servant d'entree h l'amplificateur bipolaire courant constant (fig. 5).

3. Fonctionnement Divers essais ont ~t~ effectu~s pour d~terminer les conditions optimales d'op6ration du syst~me de centrage

46()

A. ('fits; et al. /

S~,slome dc

automatique. Une premiere condition 6tait de placer le deflecteur magnetique en un point de la trajectoire du faisceau off la dimension spatiale de ce dernier 6tait limit6e a quelques millimitres (3-5) dans le plan perpendiculaire/~ sa direction. Avec des valeurs diffirentes du gain G (fig. 1), une pricision d'asservissement suffisante &ait atteinte [1], pour le diflecteur place avant l'aimant d'aiquillage, apr~s cet aimant ou pris du point de focalisation de la lentille quadrupolaire situie environ 5 m e n amont de la chambre /i diffusion. Toutefois, ces divers points n'offraient pas tous la m~me stabilit~ du circuit de contre-r~action. Nous avons atteint un bon compromis entre la pricision de l'asservissement et la stabilit6/~ long terme de la contre-riaction en plaqant le d~flecteur magn~tique /l mi-chemin entre l'aimant d'aiguillage et la lentille quadrupolaire. Les comparaisons des fig. 6a,b illustrent cette situation. En (a) est prisenti, pour un centrage manuel du faisceau, l'enregistrement simultan6 de la valeur du rapport R = G / D et de l'intensit6 totale du faisceau Y" = G + D , oil G e t D signifient l'intensit6 des courants collectis respectivement /a gauche et ~t droite dans la cage de Faraday. On doit spicifier que I'ajustement manuel dolt s'effectuer de maniire continue et, par consiquent, requiert une attention soutenue de la part de l'opirateur. Dans ce cas, le diflecteur n'est pas utilisi. En (b), par contre, les systime opirait en mode automatique. I1 est facile de juger de la nette amilioration obtenue sur la pricision du centrage de faisceau. I1 faut noter le changement d'ichelle sur l'axe du rapport R d'un graphique /~ l'autre. Les 6carts A R marqu+s par des lignes horizontales indiquent ce que seraient des variations de 5% et 2.5% pour le systime opir6 sans et avec asservissement respectivement. Pour le premier cas, l'icart quadratique moyen de la portion de mesure iilustrie en (a) est de +1.4% tandis qu'il n'est que de +0.11% pour une opiration avec asservissement. I1 est /~ remarquer qu'il existe une certaine corr+lation entre les variations de l'intensit6 totale du faisceau et l'allure du rapport de centrage iorsque le syst~me fonctionne sans asservissement. Par contre, tel n'est pas le cas pour l'opiration automatique, malgr6 certains changements brusques dans l'intensit6 du faisceau. Ces deux enregistrements ont 6t~ effectues avec un faisceau sur une cible d'aluminium 16girement plus mince que les cibles utilisees lors de mesures de polarisation [1], donc avec un faisceau sensiblement plus concentr6 dans la cage de Faraday. Les conditions &aient moins favorables que dans ie cas de mesures

centrage automatique

rietles o/l une cible plus epaisse diffuse davantage Ic faisceam conditions qui accroissent la stabilit/: d'operation du systime de contre-reaction. Dans le ca~ de mesures r~elles [7] d'une durbe de q u a t r e / i sept heures, le syst~me n'a montr6 qu'un 16ger glissement 'fi tong terme d'au plus 0.3% pour l'amplitude moyenne du rapport. Lors de virifications subsiquentes des appareils utilisis pour l'enregistrement du rapport, nous avons obtenu une dirive identique de 0.3%. Lc circuit 61ectronique du systime asservi lui-m~me semble donc fournir une stabilit6 sur une periode de quelques cmq heures ou plus, nettement supirieure a 0.3%.

4. Conclusions Nous avons d~velopp6 et mis au point un systeme automatique de centrage de faisceau de particles chargies bas6 sur une boucle de contre-riaction rapide/~ gain variable qui permet d'op~rer selon diverses c o , d i tions. L'av~nement de ce syst~me asservi amiliore la qualit6 du faisceau de mani~re appriciable et ce, sur des piriodes de plusieurs heures. Nos mesures de polarisation /~ l'aide de la nouvelle installation de notre laboratoire ont une fiabilit6 augmentie d'autant, car le centrage automatique est nettement superieur au centrage manuel et offre une stabilit6 h long terme necessaire aux mesures de polarisation.

R6f6rences

[1] Voir par exemple C. Rioux~ R. Roy, R.J. Slobodrian et H.E. Conzett, Nucl. Phys. A394 (1983) 428 et les r~firences cities. [2] G.G. Ohlsen et P.W. Keaton, Jr., Nucl. Instr. and Meth. 109 (1973) 41. [3] J. Pouliot, P. Bricault, L. Potvin, C. Rioux, R. Roy et R.J. Slobodrian, Phys. Can. 38 (1982) 33. [4] C. Lejeune et J. Aubert, dans Applied charged particle optics, coll. Advances in electronics and electron physics, suppl. 13A, b.A., A. Septier (Academic Press, New York, 1980) p. 159; J.B.A. England, Techniques in nuclear structure physics, Partie I (MacMillan, London, 1974) p. 148. [5] R.J. Slobodrian, M. Irshad, R. Labile, C. Rioux, R. Roy et R. Pigeon, Nucl. Instr. and Meth. 159 (1979) 413. [6] J.Ch. Gille, P. Decaulne et M. Pilegrin, Thboile et calcul des asservissements (Dunod, Paris, 1966) ch. 16. [7] J. Pouliot, P. Bricault, J.-G. Dufour, L. Potvin, C. Rioux, R. Roy et R.J. Slobodrian, J. de Phys.. (sous presse).