Curvilinear magnetic field mapper : design and numerical assessment

At the Swiss Paul Scherrer Institute (PSI) is located a particle accelerator used for proton therapy: a treatment that kills tumour cells through a bombardment of protons. Research invests in these structures by expanding and improving existing accelerators through the design of new magnets. Using a superconducting material for the coils of the magnets, a new curved section of the accelerator, more compact, lighter and with a higher magnetic field has been designed. Before installing the magnet, it is necessary to validate its characteristics and therefore it is essential to perform a three-dimensional mapping of the density of the magnetic flux. The aim of this thesis is the design and numerical validation of an automated system that performs a 3D scan of the generated field keeping the measurement error below 0.1% of the maximum nominal field (4 T). The designed system travels a curved trajectory and performs the measurements by moving a 3D Hall probe inside the magnet. The first part of the work is focused on the design of the curvilinear mapper and finite element analyses were performed to estimate its mechanical behaviour. The guidelines for the design and selection of the sensors were the positioning accuracy and measurement resolution which this robot must achieve. Finally, the validity of the project was quantified, paying specific attention to the measurement uncertainty of the system, which is less than 0.02% of the maximum nominal field. In order to validate the design method, experimental tests were carried out on an existing setup at the PSI which was designed following the same approach.

All’istituto elvetico Paul Scherrer Institute (PSI) è situato un acceleratore di particelle utilizzato per la proton-terapia: un trattamento che uccide le cellule tumorali attraverso un bombardamento di protoni. La ricerca investe in queste strutture ampliando e migliorando gli acceleratori esistenti attraverso la progettazione di nuovi magneti. Attraverso l’utilizzo di materiali superconduttori per le bobine dei magneti, è stata progettata una nuova sezione curvante dell’acceleratore più compatta, più leggera e con un campo magnetico più elevato. Prima dell’istallazione del magnete, è necessario validare le sue caratteristiche e pertanto è fondamentale eseguire una mappatura in tre dimensioni della densità del flusso magnetico. Lo scopo di questa tesi è il design e la validazione numerica di un sistema automatizzato che esegua uno scan in 3D del campo generato con un errore di misurazione inferiore allo 0.1% del massimo campo nominale (4 T). Data la geometria della sezione curvante da misurare, il sistema progettato percorre una traiettoria curvilinea ed esegue le misurazioni trasportando all’interno del magnete una sonda Hall 3D. Nella prima parte del lavoro è stato esteso il design al caso di magneti curvi e sono state effettuate analisi agli elementi finiti per valutarne il comportamento meccanico. Le linee guida della progettazione e nella selezione dei sensori sono state l’accuratezza di posizionamento e la risoluzione di misura che tale robot deve avere. Infine, la validità del progetto è stata quantificata, ponendo particolare attenzione all’incertezza di misura del sistema, che risulta essere inferiore a 0.02% del massimo campo nominale. Al fine di validare il metodo di design, verifiche sperimentali sono state effettuate su un setup esistente al PSI e progettato seguendo lo stesso approccio.