3 + L

Time Resolved Positron Light Emission

Alessandro Drago (Resp.), Alessio Bocci, Mariangela Cestelli Guidi, Alberto Clozza, Antonio Grilli, Augusto Marcelli, Agostino Raco, Rossano Sorchetti

La diagnostica è una componente fondamentale di un acceleratore e rappresenta un supporto indispensabile agli esperimenti sia quelli dedicati alla fisica delle alte energie che agli esperimenti che utilizzano direttamente l'emissione di luce di sincrotrone.

Per rispondere a queste esigenze un nuovo esperimento chiamato Time Resolved Positron Light Emission (3+L) dedicato alla diagnostica del collisore DAFNE, è stato finanziato dalla Commissione V dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Nel 2007 è iniziata l'installazione dell'apparato sperimentale di 3+L all'uscita del primo magnete curvante dell'anello di positroni di DAFNE situato dopo il punto di interazione IP2.

L'obiettivo principale dell'esperimento è la rivelazione risolta in tempo dell'emissione pulsata della luce emessa dai pacchetti dei positroni. Per la fotorivelazione della luce emessa dai positroni saranno impiegati rivelatori infrarossi veloci (fotoconduttori e fotovoltaici) compatti in grado di lavorare a temperatura ambiente, ottimizzati a lavorare alle lunghezze del medio infrarosso (~10 ºm di lunghezza d'onda). Lo scopo è ovviamente migliorare la diagnostica esistente su DAFNE misurando in tempo reale la lunghezza longitudinale dei pacchetti di positroni estendendo le tecniche attualmente impiegate sulla macchina. Questa nuova metodotica potrebbe contribuire sia ad aumentare la corrente di positroni iniettata che la luminosità del collisore.

La strumentazione dell'esperimento consiste in una piccola camera ad alto vuoto in alluminio installata sul front-end dell'anello positroni che permette l'estrazione della radiazione emessa dai pacchetti circolanti. Una pompa ionica è installata sul front-end dell'esperimento per garantire il raggiungimento all'interno della camera di un vuoto di circa 10-9 mbar. Un vacuometro remotizzato è installato sul front-end per controllare la pressione all'interno della camera. Sulla linea dopo la valvola del front end un beam-stopper remotizzato permette di aprire o chiudere il canale di luce. Uno specchio installato all'interno della camera deflette la radiazione in uscita con un angolo di 90 gradi verso una finestra di ZnSe installata su una flangia CF100. La finestra permette la trasmissione della radiazione nel vicino e nel medio infrarosso. Dopo la finestra, un sistema ottico per focalizzare la radiazione in uno spot di circa 1 mm2 è in fase di installazione. Tale sistema ottico in aria potrà essere controllato in modalità remota. Un computer è già installato all'interno della sala DAFNE per garantire il controllo dell'intero apparato e per l'acquisizione dei dati.

In Fig. 1 è riportata una fotografia del front-end che mostra la finestra di ZnSe installata sulla camera da vuoto.

Figure 1. La camera da vuoto dell'esperimento 3+L installata sul magnete curvante

Il sistema ottico ed i rivelatori saranno posizionati e allineati su un banco ottico installato nei pressi del front-end dell'esperimento. Tutti gli elementi ottici ed i rivelatori saranno allineati attraverso l'impiego di motori passo-passo controllati remotamente con una porta seriale RS232. Il segnale di test è attualmente acquisito con un oscilloscopio con una banda passante di 6 GHz controllato remotamente attraverso un'interfaccia GPIB connessa al computer di controllo. In ambiente Lab-View sono stati sviluppati i software necessari alla remotizzazione dell'oscilloscopio e all'acquisizione e scrittura dei dati, alla remotizzazione dei motori passo-passo e dell'alimentatore impiegato per polarizzare i rivelatori e per alimentare l'elettronica di amplificazione.

I fotorivelatori impiegati per rilevare la luce dei positroni sono stati realizzati in collaborazione con la VIGO System S.A, industria leader nello sviluppo di rivelatori infrarossi non raffreddati veloci. I rivelatori impiegati nell'esperimento sono basati su eterostrutture di HgCdTe fabbricati su substrati di GaAs. Tali rivelatori lavorano a temperatura ambiente, ma possono anche essere raffreddati a temperature di 205 K con 3 o più stadi di celle Peltier.

Sulla linea di luce di sincrotrone infrarossa SINBAD sono state realizzate alcune misure preliminari dell'emissione di radiazione IR dell'anello elettroni. La struttura pulsata della luce emessa dai pacchetti di elettroni è stata monitorata con rivelatori fotoconduttori infrarossi non raffreddati. In Fig. 2 è riportata una tipica acquisizione di tre pacchetti di elettroni adiacenti.

Figura 2. Segnale IR emesso da tre pacchetti di elettroni adiacenti misurata con uno dei rivelatori foto-conduttivi.

Il segnale di ogni pacchetto della misura mostrata in Fig. 2 ha un tempo di salita di circa 560 ps ed un tempo di discesa di 600 ps, rispettivamente. Risoluzioni temporali migliori sono possibili impiegando nuovi rivelatori infrarossi fotovoltaici attualmente in fase di test sulla linea degli elettroni che successivamente saranno installati in sala DAFNE sul banco ottico dell'esperimento 3+L.

L'esperimento una volta completato consentirà una diagnostica in tempo reale dell'emissione della luce dei positroni permettendo anche il confronto simultaneo della lunghezza longitudinale dei pacchetti degli elettroni e dei positroni. Un miglioramento della diagnostica della macchina DAFNE sarà quindi possibile nella direzione di identificare e caratterizzare le instabilità dei pacchetti di positroni e/o aumentare la corrente accumulata e la luminosità del collisore.

Publications:

A. Bocci, M. Piccinini, A. Drago, D. Sali, P. Morini, E. Pace, A. Marcelli, Detection of the SR infrared emission of the electron bunches at DAFNE, LNF-05-12 (NT), 15 Settembre 2005

A. Bocci, M. Piccinini, A. Drago, M. Cestelli, D. Sali, P. Morini, E. Pace, J. Piotrowski, A. Marcelli, Detection of Pulsed Synchrotron Radiation Emission with Uncooled Infrared Detectors, LNF-06/7(P) 24 Febbraio 2006

A. Bocci, M. Piccinini, A. Drago, M. Cestelli, D. Sali, P. Morini, E. Pace, J. Piotrowski , A. Marcelli, Time resolved detection of infrared synchrotron radiation at DA_NE., AIP Proc. of the Ninth International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation (SRI 2006) May 28 - June 2, 2006, EXCO Center, Daegu, Korea.

A. Bocci, A. Marcelli, E. Pace, A. Drago, M. Piccinini, M. Cestelli Guidi, A. De Sio, D. Sali, P. Morini and J. Piotrowski, Fast infrared detectors for beam diagnostics with synchrotron radiation, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volume 580, Issue 1, 21, September 2007, Pages 190-193.

A. Bocci, M. Cestelli Guidi, A. Clozza, A. Drago, A. Grilli, A. Marcelli, A. Raco, R. Sorchetti, M. Piccinini, M. Piccinini, E. Pace, J. Piotrowski, Bunch-by-Bunch Longitudinal Diagnostics at DAFNE by IR Light, Proc. of the 8th European Workshop on Beam Diagnostics and Instrumentation for Particle Accelerators, 20-23 May 2007, Venezia, Mestre.

A. Bocci, A. Clozza, A. Drago, A. Grilli, A. Marcelli, M. Piccinini, A. Raco, R. Sorchetti, L. Gambicorti, A. De Sio, E. Pace, J. Piotrowski, Beam diagnostics at DA_NE with fast uncooled IR detectors, Proc. of the Beam Instrumentation Workshop 2008, 4-8 May 2008, Lake Tahoe, California.

A. Bocci, A. Clozza, A. Drago, A. Grilli, A. Marcelli, M. Piccinini, A. Raco, R. Sorchetti, L. Gambicorti, A. De Sio, E. Pace, J. Piotrowski, Beam Diagnostics with IR Light Emitted by positron at DA_NE, Proc. of the 11th EPAC 2008 Conference, 23-27 June, Genova, Italia.