Design and construction of a high accuracy field mapper for longitudinal gradient bending magnets

The upgrade of Swiss Light Source aims at the reduction of the beam emittance to increase the brightness of the photon beam delivered to users. This goal requires a new storage ring as well as a set of new magnets presently in their design phase. Almost every magnet will be subjected to electrical, thermal and magnetic characterization before the installation in the ring. For this purpose, it is necessary to equip the magnetic measurement laboratory at PSI with a new magnetic mapping bench based on 3D Hall probes. This instrumentation will allow the scanning of the three components of the induction vector in the region of interest and the location of the beam peak. Beam optics and dynamics calculation set the admissible uncertainty for field maps to 0.1 - 0.5 % of the maximum field. The state of the art approach for the assessment of the instrumental uncertainty for field mapper aims at neglecting the mechanical manipulator error sources by choosing over-performing structures, thus making their contribution negligible in the uncertainty budget, which is lead only by the magnetic sensor. This thesis investigates the effect of the mechanical performances on the magnetic measurement uncertainty, in order to establish a method to opportunely choose the mechanical elements and forecast the final process yield, including the manipulator uncertainty in preliminary assessments. The method is developed analysing the bench kinematic, including geometrical errors, dynamic effects and spatial sampling errors, obtaining a detailed model of the bench end-effector positioning errors that is then coupled with the magnetic field representation. The coupling of the mechanical and magnetic models allow to describe the measurement function and analyse how the mechanical positioning uncertainty propagates to the magnetic measurement one. Knowing the influence parameters on the process yield, Monte Carlo methods are used to estimate the bench performances, which are then experimentally validated. With this technique, the Compact Field Mapper has been designed, achieving a final magnetic measurement uncertainty close to the nominal performances of the sensors, but without over-constraining the mechanical design, thus limiting the design efforts. The presented method has general validity and its efficiency is related to the accuracy of the inputs, mainly the mechanical manipulator model and the magnetic field description.

Nei prossimi anni, il sincrotrone Swiss Light Source sarà rinnovato al fine di migliorare l’intensità del flusso di fotoni, riducendone la sezione trasversale. Questo risultato può essere ottenuto cambiando la struttura dell’anello di accumulo, in particolare, i magneti che lo compongono. Al momento della scrittura della tesi, nuovi magneti sono nella fase di design che verrà seguita da una caratterizzazione elettrica, termica e magnetica prima dell’installazione nell’anello. Una nuova stazione di test è attualmente in validazione al Paul Scherrer Institut, dove è previsto un banco per la mappatura del campo magnetico basato su sensori tridimensionali ad effetto Hall. Il banco di misura permette di ottenere cartografie delle tre componenti del vettore di induzione magnetica nella regione di interesse e, inoltre, localizza la posizione del picco di campo necessario all’emissione fotonica. A partire da simulazioni della dinamica e della traiettoria del fascio di elettroni, la massima incertezza ammissibile per la misura dei campi magnetici è fissata all’intervallo target di 0.1 - 0.5 %, rapportato al massimo valore del campo. La letteratura disponibile riguardante lo sviluppo di banchi prova basati su sonde a effetto Hall, puntualizza la scelta di posizionatori estremamente accurati al fine di rendere trascurabile il loro contributo al budget di incertezza, limitando quest’ultimo solo alle performance del sensore magnetico. Questa scelta comporta il design di manipolatori sovra-dimensionati e che non apportano ulteriori benefici all’incertezza di misura. Il lavoro svolto in questa tesi ha come obbiettivo principale l’identificazione degli effetti degli errori meccanici sulla catena di misura, mettendo in relazione la performance di misura magnetica con i parametri di design meccanico, al fine di creare un modello di misura inclusivo del manipolatore e del sensore. In questo modo, è possibile usare il modello di misura per scegliere le configurazioni dello strumento che soddisfano l’incertezza target, tenendo in considerazione la struttura meccanica già negli studi preliminari sull’incertezza strumentale. Il metodo proposto è basato su modelli accurati della cinematica del banco e include gli errori geometrici, gli effetti dinamici, gli errori dovuti al campionamento spaziale per stimare gli errori di posizionamento del terminale del robot. Il modello meccanico è poi combinato al modello magnetico al fine di generare una funzione di misura comprensiva delle relazioni tra meccanica del banco e campo magnetico, permettendo di studiare come le incertezze dei fattori di influenza si propagano e combinano nell’incertezza di misura finale. La propagazione dei parametri statistici degli input verso il misurando è effettuata con l’utilizzo di metodi Monte Carlo, prima in simulazione durante la fase di design, e poi sperimentalmente in modo da validare i modelli. Il Compact Field Mapper è stato realizzato utilizzando il metodo proposto, raggiungendo una incertezza di misura finale comparabile con quella del sensore Hall, ottenuta regolando i parametri meccanici in modo da bilanciare incertezza meccanica e magnetica, senza forzare il design meccanico verso strutture estremamente performanti ma che non attribuiscono miglioramenti al budget. Infine, il metodo presentato ha validità generale e la relativa efficienza dipende dall’accuratezza dei modelli utilizzati come input, ovvero meccanici e magnetici.