Upgrade of rotating coil measurement system for accelerator magnets

Rotating coil measurements are used to ensure the quality of particle accelerators magnets before their installation on the beam line. This measurement technique gives in short time a complete description of the field strength, quality and geometry in the magnet aperture with an absolute accuracy of 0.1mT for the main field and 0.1% relative accuracy on the other components. The probe is characterised by a set of coils that rotates inside the magnet; according to Faraday’s law, a variation of flux occurs through the coil area that induces a voltage on the conductor wire. Measuring voltage and coil position, we can obtain the magnetic flux seen by the beam along its path. This thesis deals with the upgrade of the system, developing a new data acquisition hardware and software. After the system installation and testing, the work focused on the link between the mechanical imperfection of the bench parts and the measured magnetic field errors. The manufacturing quality of the probe holder and its correct positioning inside the magnet are the main parameters affecting the magnetic measurement. The obtained results showed that the errors can be limited with a precise alignment of all the bench parts and performing a proper calibration to compensate these imperfections. Moreover, the commissioning procedure of an innovative sapphire sensor developed at CERN for ultra-precise measurements of small aperture magnets is described and its results have been compared to the ones obtained with standard probes.

I sistemi di misura a bobine rotanti sono utilizzati per verificare la qualità dei magneti per acceleratori di particelle prima della loro installazione in linea. Tra tutte le tecniche adottate nel campo delle misure magnetiche, le bobine rotanti permettono di ottenere una misura esaustiva dei principali parametri di interesse, quali intensità, qualità e geometria del campo magnetico generato in breve tempo. L’accuratezza raggiunta da questi sistemi si attesta intorno a 0.1mT per la misura della componente principale del campo e 0.1% per le armoniche di ordine superiore. Il principio di funzionamento è basato sulla legge di Faraday per cui ruotando la bobina all’interno del magnete, una tensione verrà indotta sul filo conduttore. Il voltaggio può essere quindi misurato insieme alla posizione della bobina al fine di ricostruire il flusso del campo che agisce sulle particelle che attraversano l’apertura del magnete. Questa tesi riguarda l’upgrade del sistema: è stato trattato lo sviluppo di un nuovo sistema di acquisizione e analisi dei dati e, dopo la fase di test, il lavoro è stato concentrato sullo studio degli effetti degli errori meccanici sulla qualità della misura magnetica. I risultati raggiunti mostrano che gli errori di forma del sensore e gli errori di allineamento dello stesso all’interno dell’apertura del magnete, sono le cause principali della perdita di accuratezza. Per limitarne gli effetti, è necessario un preciso montaggio del banco di misura e una calibrazione del sensore che compensi gli errori meccanici principali. Infine, è stato testato e commissionato un innovativo sensore realizzato al CERN in zaffiro sintetico per misure ultra-precise di magneti con piccole aperture.