Sviluppo di sistemi di diagnostica avanzata basata su CVD diamonds per la protezione dell'acceleratore SuperKEKB

Monitoring a system is a crucial aspect to prolong its operation as much as possible, and this is particularly true for highly complex systems, such as the so-called "big machines," which include particle accelerators like synchrotrons or particle colliders. With the continuous evolution of these accelerators, it is necessary to update diagnostic systems to cope with increasingly stringent constraints and greater complexity. In my doctoral dissertation, I will describe two diagnostic systems developed over the past three years at the Instrumentation and Detectors Laboratory of Elettra. These systems include a control system for the RF cavities of the Elettra synchrotron and electronics for the protection of the vertex detector for the SuperKEKB collider in Japan. In both cases, the requirements for reaction speed, computational complexity, and data transfer speed dictate the use of highly sophisticated control and acquisition architectures. As we will see, these architectures must be based on elements that ensure temporal determinism. For this reason, the designed platforms rely on FPGAs with interfacing to DDR memory (for "post-mortem" diagnostics) and are predisposed to connect with "ancillary" boards developed specifically for certain applications. It will become evident from this thesis that the programmability advantages, along with the ability to parallelize processes, offered by this approach are essential for the project's success. The thesis will describe the highly "modular" solutions that characterize all the "big projects" in the laboratory where the research was conducted, as well as the "ad hoc" boards developed for the projects undertaken. Finally, the obtained results will be presented, both in specially developed test stations and "in the field" where applicable. Additionally, within the context of research on diagnostic systems for machines subjected to high-energy flows, a chapter will be dedicated to the study that allowed the characterization of diamond sensors used in the SuperKEKB diagnostic system. This study was conducted using the high-energy electron packages from the Free Electron Laser machine "FERMI."

Il monitoraggio di un sistema rappresenta un aspetto cruciale per mantenere il più a lungo possibile il suo funzionamento, e questo è particolarmente vero per sistemi molto complessi come sono ad esempio le cosiddette "grandi macchine", ovvero acceleratori di particelle come sincrotroni o i “particle collider”. Con l'evoluzione continua di questi acceleratori è necessario aggiornare anche i sistemi di diagnostica, che devono far fronte a vincoli sempre più restrittivi e complessità maggiori. Nell’elaborato relativo al mio periodo di dottorato verranno descritti due sistemi di diagnostica: un sistema di controllo per le cavità RF per il sincrotrone Elettra e un’elettronica per la protezione del rivelatore di vertice per il collider SuperKEKB in Giappone, entrambi sviluppati nel corso di questi 3 anni presso il Laboratorio Strumentazione e Detectors di Elettra. In entrambi i casi le richieste in termini di rapidità di reazione, complessità computazionale e velocità di trasferimento dati, impongono delle architetture di controllo e acquisizione molto elaborate che, come vedremo, si devono basare su elementi che garantiscono determinismo temporale. Per questo motivo le piattaforme progettate si appoggiano a delle FPGA con interfacciamento ad una memoria DDR (per diagnosi “post mortem”) e con predisposizione alla connessione con schede “ancillari” sviluppate ad hoc per applicazioni specifiche. Sarà evidente in seguito alla lettura di questa tesi che i vantaggi di programmabilità, oltre alla possibilità di parallelizzare i processi, offerti da questo approccio sono essenziali per il successo del progetto. Nella tesi verranno descritte le soluzioni altamente “modulari” che caratterizzano tutti i “grandi progetti” del laboratorio ove si è svolta la tesi, così come le schede “ad hoc” sviluppate per i progetti seguiti. Infine verranno anche esposti i risultati ottenuti, là dove possibile, sia in stazioni di prova sviluppate ad hoc sia “sul campo”. Oltre a tutto ciò, sempre nel contesto della ricerca sui sistemi di diagnostica per macchine soggette a grandi flussi di alte energie, un capitolo sarà dedicato allo studio che ha permesso anche la caratterizzazione dei sensori in diamante utilizzati nel sistema di diagnostica di SuperKEKB, studio effettuato utilizzando i pacchetti di elettroni di alta energia della macchina di luce Free Electron Laser “FERMI”.