Design and realization of the electronic control unit of a DCCT sensor for beam current measurement of the SPIDER experiment

The SPIDER experiment (Source for Production of Ion of Deuterium Extracted from Rf plasma) is currently in shut-down for repairs, modifications, and improvements based on the experience gained in the first years of operation since 2018. Among these upgrades, the installation of the "Beamlet Group Current Monitor" (BGCM) diagnostic is planned for measuring the beam current for each of the 16 beamlet groups in the acceleration grids. Therefore, it is necessary to design a current sensor capable of measuring the beam current exiting the ground grid for each of the 16 beamlet groups. The 16 signals from each sensor will provide the measurement of the total beam current, allowing, in addition, the assessment of its uniformity. The main requirements for the current sensor are as follows: • Measurement of both direct current (DC) and variable current (AC, tens of kHz); • Operation in high vacuum (10^-6 mbar); • Resistance to significant thermal loads; • High resolution and precision in a current range between 100 mA and 3 A; • Immunity to external DC magnetic fields; • Immunity to the 1 MHz radiofrequency component of the beam current; • Immunity to electrical breakdowns; • Mechanical compatibility with the available spaces in front of each beamlet group. The technology of the so-called Direct Current Current Transformer (DCCT) is considered the most promising for this type of current sensor, in terms of sensitivity, robustness, and immunity to disturbances. The proposed thesis is part of the necessary activities for developing a sensor using this technology for the specific case of SPIDER. The thesis activity involves determining the best electronic components suitable for realizing the power supply and control system of the sensor and its subsequent implementation. A first research phase is planned to determine the best technologies, followed by an implementation phase. .

L’esperimento SPIDER (Source for Production of Ion of Deuterium Extracted from Rf plasma) è attualmente in shut-down per le riparazioni, le modifiche e i miglioramenti derivanti dall’esperienza fatta nei primi anni di funzionamento dal 2018. Tra questi upgrades è prevista l’installazione della diagnostica detta “Beamlet Group Current Monitor” (BGCM) per la misura della corrente del fascio di particelle relativa a ciascuno dei 16 gruppi di aperture (beamlet groups) delle griglie di accelerazione. Risulta pertanto necessario progettare un sensore di corrente in grado di misurare la corrente del fascio in uscita dalla griglia di terra per ciascuno dei 16 bealmlet groups. I 16 segnali di corrente derivanti da ciascun sensore daranno la misura della totale corrente di fascio, permettendo inoltre una valutazione dell’uniformità dello stesso. Principali requisiti del sensore di corrente sono i seguenti: • Misura sia della componente continua (DC), che di quella variabile (AC, decine di kHz); • Operazione in alto vuoto (10-6 mbar); • Resistenza a carichi termici non trascurabili; • Elevata risoluzione e precisione in un range di correnti compreso tra 100 mA e 3 A; • Immunità a campi magnetici DC esterni; • Immunità alla componente a radiofrequenza di 1MHz della corrente del fascio; • Immunità a breakdown elettrici • Compatibilità meccanica con gli spazi disponibili davanti a ciascun beamlet group. La tecnologia dei cosiddetti Direct Current Current Transformer (DCCT) è ritenuta essere la più promettente per questo tipo di sensori di corrente, da un punto di vista di sensibilità, robustezza ed immunità ai disturbi. La tesi proposta si pone all’interno delle attività necessarie allo sviluppo di un sensore che adotti questa tecnologia per il caso specifico di SPIDER. L’attività di tesi consiste nella determinazione dei migliori componenti elettronici adatti alla realizzazione del sistema di alimentazione e controllo del sensore stesso e la sua successiva realizzazione. È prevista una prima fase di ricerca per la determinazione delle migliori tecnologie e una successiva fase implementativa.