Dynamic characterization of normal-conducting magnets for particle accelerators

Magnets are one of the most important components in particle accelerators. They provide a mean to control the flow of particles, called beam, by changing its direction and its profile. Different designs, technologies and operating principles are employed for magnets, depending on the task to fulfill. This work focuses on normal-conducting magnets operated in pulsed mode. This category of magnets typically requires to handle non-linear, hysteric materials, coupled with eddy currents, due to the time-varying field. Simulations are mostly unable to reach the accuracy levels required for accelerators, therefore magnetic measurements are required. The result is that normal-conducting magnets are ultimately regarded as black boxes inside particle accelerators. This thesis wants to pave the way to a novel paradigm for these devices. Simulations and measurements should not be considered as two consequent steps in magnet development, but they can, and should, cooperate in returning a complete description of the magnet. Within this principle, this work develops both measuring instruments and numerical tools for characterizing normal-conducting magnets. The first part of this work focuses on magnetic measurements. A novel magneto-mechanical model for induction coils is developed and employed in the design of a measurement system. This model allows unprecedented control over the mechanical properties of the device, to achieve the desired level of accuracy even in critical conditions, while pushing the capabilities of the device to its limits. These aspects allowed the design, construction, and operation of a novel measurement bench, which is specifically devoted to the task of characterizing normal-conducting magnets. The second part is instead devoted to numerical methods. A physical model, based on integral formulation, is developed, together with model-order reductions and model-updating methods for data-driven corrections. According to the author's best knowledge, this approach is a novelty for particle accelerator magnets. The ultimate goal of the research initiated by this thesis would be the construction of a digital twin for normal-conducting magnets. This twin would guarantee strong reliability thanks to the underlying physical model, while providing high accuracy by data corrections.

I magneti sono uno dei componenti più importanti per gli acceleratori di particelle. Forniscono un mezzo per controllare il flusso di particelle, chiamato fascio, curvandolo e focalizzandolo. Diversi principi, tecnologie e materiali sono impiegati per la costruzione di magneti, a seconda delle necessità. Questo lavoro si concentra su magneti normal-conducting, azionati in modalità pulsata. Questa categoria di magneti coinvolge tipicamente materiali non lineari, se non isteretici, ed è soggetta a correnti parassite, a causa dei transitori di campo magnetico. Le simulazioni difficilmente riescono a raggiungere i livelli di accuratezza richiesti per gli acceleratori; pertanto, le misure magnetiche sono necessarie. Conseguenza di questo è il fatto che i magneti normal-conducting siano tipicamente considerati come black box negli acceleratori. Questa tesi vuole aprire la strada ad un nuovo paradigma per questi dispositivi. Simulazioni e misure non devono essere considerate come due passaggi successivi, ma possono e devono cooperare per restituire una descrizione completa del magnete. Seguendo questo principio, questo lavoro sviluppa sia strumenti di misura che strumenti numerici per la caratterizzazione dei magneti normal-conducting. La prima parte di questo scritto si concentra sulle misure magnetiche. Un nuovo modello magneto-meccanico per bobine ad induzione è sviluppato e impiegato nella progettazione di sistemi di misura. Questo modello consente un controllo senza precedenti sulle proprietà meccaniche del dispositivo, per raggiungere il livello di precisione desiderato anche in condizioni critiche. Questi aspetti hanno permesso la progettazione, la costruzione e la messa in funzione di un nuovo banco di misura, specificamente dedicato al compito di caratterizzare i magneti normal-conducting. La seconda parte della tesi è invece dedicata ai metodi numerici. Un modello fisico, basato su una formulazione integrale, è sviluppato, insieme a tecniche di riduzione di modelli e di model updating. Secondo le migliori conoscenze dell'autore, questo approccio è una novità per i magneti normal-conducting in acceleratori di particelle. L'obiettivo finale del filone di ricerca avviato da questa tesi sarebbe la costruzione di un digital twin per magneti normal-conducting. Questo digital twin garantirebbe una robusta affidabilità grazie al modello fisico su cui è basato, fornendo al contempo un'elevata precisione data dalla correzione per mezzo delle misure.