Understanding secondary emission processes and beam matter interactions for optimization of diagnostic wire grid system in particle accelerators : thermal modeling for beam power limits calculation

Abstract

(English) Thin targets, in form of foils, stripes or wires, are widely used in beam instrumentation to measure various beam parameters, such as intensity, position and size. All these monitors can differ in geometry and material. Depending on beam parameters such as intensity, energy, transverse and longitudinal size, the detector can suffer thermomechanical stresses. This can potential ly perturb the measurement accuracy and degrade the integrity of the detector. The core of this c ontribution presents the development of a finite finite-difference model, developed to simulate the particle particle-detector interactions and predict the detector material heating and damage.

This work has been mainly performed in the context of LINAC4, which is the first accelerator at CERN's accelerator chain. Some other facilities (CERN PS Booster, CERN SPS, GSI facility) will also be mentioned in this document. However, the majority of the studies and conclusions will refer to the energy range (45 keV - 160 MeV) an d detector types available at LINAC4 (SEM grids and wire scanners).

To understand the purpose, functionality and limitation of thin target detectors, this document introduces the basic principles of transverse beam dynamics and beam matter interactions, focusing on processes such as: energy deposition, secondary electron emission (SEE), electron backscattering, etc. The thermal model implemented during this work (PyTT) to simulate the thermal evolution of thin target detectors is presented and detailed di scussed. To assess the reliability of the simulated results, an experiment performed at LINAC4 is presented. This experiment heavily relied on the theory of thermionic emission to indirectl indirectly measure the temperature of the detectors during operation.

The performance of the simulation tool is discussed, in terms of results sensitivity to parameter uncertainty. Uncertainties in material parameters, such as the emissivity, yield uncertainties in simulation results. To improve our knowledge of the emissivity values of thin tungsten wires, an experimental setup, based on the calorimetric method, was implemented for this work. The experimental setup, emissivity calculation and results are detailed described.

Some examples of how this work has been useful for CERN operations, and other facilities (like GSI) are presented in these pages. This include, beam power limit calculations for the CERN Linac4 and SPS diagnostics, beam intensity and profile measurements at LINAC4, thin foil detector calibration (H0H H0H- Monito rs), SEM grid prototype testing at GSI, etc.

(Español) Blancos finos, en forma de laminas, bandas o hilos, son comúnmente usados en el mundo de la instrumentación de haces para medir varios parámetros del haz de partículas, por ejemplo la intensidad, posición y medida. Dependiendo de los parámetros del haz, tales como la intensidad, la energía, el tamaño longitudinal y transversal, los detectores pueden sufrir un grave estrés termodinámico. Esto puede potencialmente perturbar la precisión de las medidas y degradar la integridad del detector. La parte principal de esta contribución presenta la implementación de un modelo basado en diferencias finitas, desarrollado para simular las interacciones entre las partículas y el detector y predecir el calentamiento del material y el daño.

Este trabajo ha sido realizado principalmente en el contexto del LINAC4, que es el primer acelerador en la cadena de aceleradores del CERN. Algunas otras instalaciones (CERN PS Booster, CERN SPS, GSI ). También se mencionan en este documento. Sin embargo, la mayoría de los estudios y las conclusiones se refieren al rango de energías ( 45 keV - 160 MeV) y tipos de detectores disponibles en el LINAC4 (SEM grids y Wire Scanners).

Para entender el propósito, la funcionalidad y las limitaciones de los detectores de blanco fino, este documento introduce los principios básicos de la dinámica transversal de haces y las interacciones haz-materia, prestando especial atención a procesos como: Deposición de energía, emisión secundaria de electrones (SEE), back-scattering de electrones, etc. El modelo termico implementados durante este trabajo (PyTT) simula la evolución térmica de un detector fino y esta discutido en detalle en este documento. Para comprobar la precisión de las simulaciones, se presenta un experimento realizado en el LINAC4. La temperatura de los detectores se pudo medir de forma indirecta gracias a la teoría de emision de electrones thermoionicos.

El rendimiento de las simulaciones se discute en terminos de sensitividad y incertidumbres en los parametros. Las incertidumbres en las propiedades de los materiales, como la emissividad, resultan en grandes incertidumbres en los resultados de las simulaciones. Para mejorar nuestro conocimiento sobre la emissividad de hilos de tungsteno, se implemento un experimento basado en el metodo calorimetrico. El set-up experimental, el calculo de la emisividad y los resultados se describen detalladamente en este trabajo.

Algunos ejemplos de como este trabajo ha sido util para el funcionamiento del CERN, y de otras instalaciones (como GSI) se presentan en estas paginas. Estos ejemplos incluyen, el calculo de limites de potencia para el haz en el LINAC4 y en el SPS. Medidas de la intensidad y del perfil del haz en el LINAC4. La calibracion de detectores (H0H-), pruebas en los prototipos de SEM grid en GSI, etc.