Autocollimator-based bent silicon crystal characterization

Bent crystals represent a key enabling technology for advanced beam manipulation in high-energy particle accelerators, with consolidated applications in beam collimation and emerging potential in beam extraction schemes. Their performance is strongly dependent on the precise knowledge of their geometrical properties, such as primary and anticlastic curvature, which directly affect channeling efficiency. As accelerator facilities move toward higher energies and intensities, stringent requirements are imposed on the accuracy and reproducibility of crystal characterization techniques. This thesis focuses on the development and optimization of an optical measurement system for the offline characterization of bent silicon crystals used within the UA9 collaboration. Starting from existing experimental setups, the system was redesigned to improve measurement accuracy, robustness and usability, with particular emphasis on the reliable determination of crystal curvature over a wide range of bending conditions. A dedicated autocollimator-based setup was developed and validated, enabling the measurement of both primary and anticlastic curvature with an angular resolution down to 9 μrad. The mechanical layout, based on motorized translation stages with micrometric resolution, ensures stable alignment and repeatable positioning of the crystal during measurements. Data acquisition and analysis procedures were optimized to provide consistent and reproducible results. The experimental results demonstrate that the proposed system satisfies the requirements for precise offline crystal characterization and represents an effective tool for quality control prior to beam tests. Its adoption within the collaboration contributes to improved control of crystal bending parameters, reduces uncertainties associated with misalignment, and enhances the overall reliability of beam tests, consistently reducing the time required for crystal setup during accelerator operations.

I cristalli incurvati rappresentano una tecnologia chiave per la gestione avanzata dei fasci negli acceleratori di particelle ad alta energia, con applicazioni consolidate nella collimazione del fascio e potenzialmente nelle tecniche di estrazione. Le loro prestazioni dipendono fortemente dalla conoscenza precisa delle proprietà geometriche, come la curvatura primaria e anticlastica, che influenzano direttamente l’efficienza di channeling. Con l’aumento dell’energia e dell’intensità negli acceleratori, vengono imposti requisiti sempre più stringenti sull’accuratezza e sulla riproducibilità delle tecniche di caratterizzazione dei cristalli. Questa tesi si concentra sullo sviluppo e sull’ottimizzazione di un sistema di misura ottico per la caratterizzazione offline dei cristalli di silicio incurvati utilizzati all’interno della collaborazione UA9. Partendo da dispositivi già esistenti, il sistema è stato ridisegnato per migliorare l’accuratezza delle misure, la robustezza e la facilità d’uso, con attenzione alla determinazione della curvatura dei cristalli in diverse condizioni di piegatura. È stato sviluppato e validato un setup dedicato basato su autocollimatore, che consente la misura sia della curvatura primaria sia di quella anticlastica con una risoluzione angolare fino a 9 μrad. Il setup, basato su stage lineari motorizzati con risoluzione micrometrica, garantisce stabilità nell’allineamento e ripetibilità nel posizionamento del cristallo durante le misure. Le procedure di acquisizione e analisi dei dati sono state ottimizzate per fornire risultati coerenti e riproducibili. I risultati sperimentali dimostrano che il sistema proposto soddisfa i requisiti per una caratterizzazione precisa dei cristalli e rappresenta uno strumento efficace per il controllo qualità prima dei test con il fascio. La sua adozione all’interno della collaborazione contribuisce a un migliore controllo dei parametri di piegatura dei cristalli, riduce le incertezze dovute a disallineamenti e aumenta l’affidabilità complessiva dei test con il fascio, riducendo in modo consistente il tempo necessario per il posizionamento dei cristalli durante le operazioni in acceleratore.