Direct data-driven control of cavity tuners in particle accelerators

X-Ray Free Electron Lasers (XFELs) are the next generation of X-rays sources delivering dramatical improvements over synchrotron radiation in terms of brilliance, pulse length and coherence. The laser-like properties of XFEL radiation allow experiments not possible before in numerous research fields such as plasma physics, condensed matter physics, material science, femtochemistry and structural biology. To obtain the X-ray radiation, accelerated electronic beams are propagated in undulators, where X-rays are emitted according to a Self-Amplified Spontaneous Emission (SASE) process. The high gradients of the accelerating electromagnetic field, external vibrations and pressure fluctuations cause deformations of the cavities where the electrons are accelerated. This lowers the efficiency of the Linear Accelerator (LINAC) and degrades the beam quality. To contrast this phenomenon, indicated with the term detuning, tuners capable of mechanical compensation of cavity deformations have been developed and successfully employed in LINACs. In the present work we look at the challenges in the control of these tuners during cavity operations, and we propose an offline data-driven approach for the synthesis of the controllers. This approach is presented as an alternative to the on-line iterative methods currently in use. Iterative methods, by adjusting the controller parameters during operation, are able to respond to shifts of the system parameters but the obtained controlled system is nonlinear and its convergence to a stable system depends on manually tuned parameters. The direct offline methods proposed, the Virtual Reference Feedback Tuning (VRFT) and the Correlation Approach, offer instead an overall linear device free of convergence issues. These methods are tested on a simulated system and their performance are discussed in presence of noise.

I laser ad elettroni liberi nei raggi X (XFELs) rappresentano una nuova generazione di sorgenti di radiazione, capace di fornire miglioramenti rispetto alla radiazione di sincrotrone sia in termini di brillanza sia in termini di coerenza e durata temporale dell'impulso. Le proprietà della radiazione da sorgenti XFEL consentono esperimenti prima non realizzabili in numerosi campi di ricerca. Applicazioni sono state proposte in fisica dei plasmi, fisica della materia condensata, scienza dei materiali, femtochimica, biologia strutturale e altri numerosi campi. La generazione di radiazione nei raggi X sfrutta un processo di emissione spontanea auto amplificata (SASE) da parte di fasci elettronici propaganti in un undulatore. Gli elettroni sono precedentemente accelerati in un acceleratore lineare (LINAC) dove il forte campo elettromagnetico accelerante, vibrazioni esterne e fluttuazioni di pressione causano deformazioni nelle cavità risonanti dell'acceleratore stesso. Queste deformazioni causano un abbassamento dell'efficienza e una degradazione della qualità del fascio. Per contrastare questo fenomeno, indicato con il termine detuning, sono stati sviluppati dispositivi capaci di compensare meccanicamente le deformazioni delle cavità dell'acceleratore durante il suo funzionamento. In questo lavoro verranno discusse le difficoltà nel controllo di questi dispositivi, proponendo un approccio data-driven e offline per la sintesi di un sistema di controllo capace di compensare il detuning. Nei LINAC attualmente in operazione sono impiegati metodi diretti iterativi. Questi metodi, aggiornando i parametri di controllo durante il funzionamento dell'acceleratore, sono in grado di rispondere a cambiamenti del sistema ma forniscono un dispositivo di controllo complessivamente non lineare la cui stabilità e capacità nel convergere a un sistema stabile dipende da parametri scelti manualmente. I metodi offline proposti, il Virtual Reference Feedback Tuning (VRFT) e l'Approccio a Correlazione, mantengono la linearità del sistema e sono privi di iterazioni, perciò privi di problemi legati alla convergenza. Il controllore è direttamente sintetizzato da dati provenienti da esperimenti ingresso/uscita, senza il passo intermedio di stima del modello del sistema da controllare che caratterizza le tecniche Model Based, ottenedo una soluzione al problema del controllo definita one-shot. Questi metodi verranno testati su un sistema simulato verificandone le prestazioni in presenza di rumore.