Robot for high magnetic field mapping : control system development

The Swiss Light Source (SLS) is a particle accelerator facility located at PSI (Paul Scherrer Institut), a Swiss nuclear physics research center. In the next future, SLS will be upgrated thus new super conducting magnets will replace the current ones, to increase its performances in terms of beam emittance. To analyze the thermal, mechanical and magnetic characteristics of the designed super-bending magnets, new test stands have been developed. Furthermore, because of the need to map the inhomogeneous magnetic field generated, a dedicated bench for the magnetic measurements has to be designed. 3D Hall probes will be used to acquire the intensity of the generated magnetic field, sampling it in the region of interest. A Cartesian robot has been designed to control the positioning of the Hall sensor together with its control system which takes care of the measurement process as well as the mechanical actuation of the parts. The thesis explains the procedure adopted to select the components of the robot, starting from the measurement requirements on the mapping accuracy. Furthermore, there is the description of the software developed to control the system: firstly the requirements have been gathered, then the software architecture has been identified, providing the logic followed in the implementation phase. The software has been coded in LabVIEW language, since it allows to manage easily the acquisition of analog and digital signals and the communication with the hardware. The coding procedure is then explained in detail and tested in the laboratory environment. The tests performed involve the ability of the software to define a trajectory to be followed by the robot, to decode the position using an optical encoder and to acquire analog inputs, representing the Hall probe outputs, to verify that the acquisition is performed in the correct way.

Il Swiss Light Source (SLS) è un acceleratore di particelle situato in un centro di ricerca sulla fisica nucleare svizzero, chiamato PSI (Paul Scherrer Institut). I magneti che compongono l'acceleratore di particelle saranno sostituiti da nuovi magneti superconduttori, che assicureranno una migliore emittanza del fascio prodotto. Per definire le loro caratteristiche termiche, meccaniche e magnetiche è necessario progettare e costruire nuovi banchi di prova. Visto il campo magnetico disomogeneo generato, è necessario mapparlo, per fare ciò c'è bisogno di un sistema di misura ad-hoc. Per effettuare questa misura verrà utilizzato un sensore Hall tridimensionale, in grado di acquisire l'intensità del campo generato, campionandone tutta l'area di interesse. Un robot cartesiano a tre assi è stato progettato per il controllo della posizione del sensore, assieme ad un software di controllo in grado di gestire la procedura di mappatura, sia sotto il profilo di movimentazione della sonda, che dell'acquisizione e salvataggio dell'intensità del campo magnetico. La tesi illustra la procedura seguita per la definizione dei componenti del robot, iniziando da una analisi preliminare dei requisiti di accuratezza. Oltre a questo, si trova la descrizione del software creato per il controllo del sistema: inizialmente i requisiti vengono raccolti, successivamente la architettura del software è stata definita così da fornire la logica da rispettare nella fase di implementazione. Il linguaggio di programmazione scelto è LabVIEW poiché permette una facile gestione delle acquisizioni oltre che un ottimo controllo dell’hardware. I test e le prove effettuate hanno verificato la capacità del software di creare una traiettoria che il robot dovrà seguire, la decodifica della posizione utilizzando un encoder ottico e l'acquisizione di segnali analogici, così da verificare che il segnale della sonda Hall sarà acquisito nella modalità voluta.