Progettazione, sviluppo e test del sistema di controllo di una stazione di caratterizzazione per amplificatori TWPA.

Cosmological axions are theorised elementary particles whose existence has not yet been verified. They were formulated in 1978 as the cause to the problem of strong Conjugation symmetry and Parity symmetry (CP), but have not yet been detected. If their existence were confirmed, due to their very low mass, they could constitute dark matter. The detection of these particles requires a complex experimental setup which includes resonant radio-frequency-controlled cavities, amplifiers with variable gain Traveling Wave Parametric Amplifier (TWPA), intense static magnetic fields, ultra-cryogenic environments and ultra-vacuum regimes. At the Legnaro National Laboratories (LNL) of the National Institute of Nuclear Physics (INFN) is installed an apparatus called an aloscope dedicated to the search for cosmological axions. The system consists of a dumpmaster's thesisbachelor capable of reaching the ultra-vacuum regime, a magnet that produces an intense static magnetic field, a cryogenic circuit based on a 3He/4He dilution chiller and an internal cavity containing the experimental apparatus. The cavity is the place where axions should be observed in the form of photons when certain conditions are reached. For this reason, it is equipped with numerous high-frequency sensors. The system requires reliable and robust control to ensure the repeatability and the long life of the experiments. The aim of this master's thesis is to design and realise a control system for a for TWPA amplifiers test station developed on a Programmable Logic Con- troller (PLC). The first phase consists of the study of the theoretical background necessary to understand the operation of the process and the instruments used, such as measurement controllers or vacuum pumps. The exchange signals with these instruments were divided into serial communication via RS-232 protocol, automation signals, or digital signals from internal relays of the instrument, of safety. From the Input/Output list, the necessary components were chosen and started the electrical design of the automation panel. The mechanical design was carried out in parallel to define the layout of the components. We proceeded with the development of Machine Protection System (MPS) software for the protection and automatic control of the test station. The graphic interface was programmed on a Human Machine Interface (HMI) through which it is possible to monitor operating parameters and save them in logs together with alarms relating to safety conditions. The implemented functionalities were successfully tested and validated. The design of the system took into account possible future expansions by ensuring an adequate number of spare signals and rack space. On the software side, a logging system was implemented for monitoring of operations and working conditions. The design, development and installation of the new control system for the for the TWPA amplifier characterisation station made it possible to carry out experimental campaigns more quickly and safely, as well as allow monitoring of parameters and intervention in the event of anomalies.

Gli assioni cosmologici sono particelle elementari teorizzate, la cui esistenza non è stata ancora verificata. Sono stati formulate nel 1978 come la causa al problema della Conjugation symmetry and Parity symmetry (CP) forte, ma non sono stati ancora rilevati. Se la loro esistenza fosse confermata, a causa della loro massa molto bassa, potrebbero costituire la materia oscura. La rilevazione di queste particelle richiede un setup sperimentale complesso che include cavità risonanti comandate in radiofrequenza, amplificatori a guadagno variabile Traveling Wave Parametric Amplifier (TWPA), campi magnetici statici intensi, ambienti ultracriogenici e regimi di ultra vuoto. Presso i Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) è installato un apparato chiamato aloscopio dedicato alla ricerca degli assioni cosmologici. Il sistema è costituito da un serbatoio in grado di raggiungere il regime di ultra vuoto, un magnete che produ- ce un campo magnetico statico intenso, un circuito criogenico basato su un refrigeratore a diluizione di 3He/4He e una cavità interna che contiene l’apparato sperimentale. La cavità è il luogo dove gli assioni si dovrebbero osservare sotto forma di fotoni quando si rispettano determinate condizioni. Per questo motivo è dotata di numerosi sensori ad alta frequenza. Il sistema necessita un controllo affidabile e robusto per garantire la ripe- tibilità e la lunga durata degli esperimenti. Il presente lavoro di tesi magistrale si pone come obiettivo la progetta- zione e realizzazione di un sistema di controllo per una stazione di caratte- rizzazione per amplificatori TWPA sviluppata su Programmable Logic Con- troller (PLC). La prima fase consiste nello studio del background teorico necessario per comprendere il funzionamento del processo e degli strumen- ti utilizzati, come i controller per le misurazioni o le pompe da vuoto. I segnali di scambio con questi strumenti sono stati suddivisi in segnali di comunicazione seriale tramite protocollo RS-232, di automazione, o segnali digitali provenienti da relays interni allo strumento, di sicurezza. A partire dalla lista Input/Output, sono stati scelti i componenti necessari e avviata la progettazione elettrica del quadro d’automazione. La progettazione meccanica è stata svolta in parallelo per definire il layout generale e la disposizione dei componenti. Si è proceduto con lo sviluppo del software Machine Protection System (MPS) di protezione e controllo au- tomatico della stazione di test. L’interfaccia grafica è stata programmata su una Human Machine Interface (HMI) attraverso la quale è possibile moni- torare i parametri di funzionamento e salvarli in log assieme agli allarmi relativi alle condizioni di sicurezza. Le funzionalità implementate sono state testate e validate con successo. La progettazione del sistema ha tenuto conto di eventuali espansioni future garantendo un adeguato numero di segnali di scorta e di spazio nel rack. Dal punto di vista software, è stato implementato un sistema di logging per il monitoraggio delle operazioni e delle condizioni di lavoro. La progettazione, sviluppo e installazione del nuovo sistema di control- lo per la stazione di caratterizzazione di amplificatori TWPA ha permesso di eseguire campagne sperimentali in modo più rapido e sicuro, oltre a consentire il monitoraggio dei parametri e interventi in caso di anomalie.