Lidando com a Perda Repentina de Feixe no SuperKEKB

O acelerador SuperKEKB é uma instalação no Japão que tem como objetivo colidir elétrons e pósitrons para gerar uma grande quantidade de partículas como mesons e léptons. Ele funciona com duas partes principais: o Anel de Alta Energia (HER) e o Anel de Baixa Energia (LER). O SuperKEKB busca alcançar níveis muito altos de brilho, conhecido como Luminosidade, que é essencial para aumentar a quantidade de dados gerados para os experimentos.

Mas o caminho para atingir esses altos níveis de luminosidade não é fácil. Um dos problemas significativos é a perda súbita de feixe (SBL), onde o feixe de partículas pode desaparecer de repente, o que pode causar danos aos componentes e detectores do acelerador. Isso pode resultar em reparos caros e tempo de inatividade, prejudicando os objetivos experimentais.

#Desafios Apresentados pela Perda Súbita de Feixe

Os eventos SBL são uma grande preocupação para a operação do SuperKEKB. Esses eventos podem danificar componentes importantes, como Colimadores, que são dispositivos feitos para proteger os detectores de partículas indesejadas. Quando esses componentes se danificam, eles precisam de reparos extensos que podem levar de vários dias a até uma semana, afetando a eficiência geral do acelerador.

A relação entre a corrente do feixe armazenado e a frequência dos eventos SBL foi observada. Quando a corrente do feixe ultrapassa certos níveis, a probabilidade de ocorrências de SBL aumenta, levando a mais complicações para os experimentos em andamento. Uma vez que um evento SBL acontece, o processo de recuperação pode levar horas ou até um dia, limitando a quantidade de dados que podem ser coletados e analisados.

Atualmente, as causas exatas e os locais dos eventos SBL ainda não estão claros. Entender onde esses problemas surgem será crucial para desenvolver soluções e evitar que aconteçam no futuro.

#O Desenvolvimento do Gravador de Oscilação de Feixe

Para enfrentar os desafios apresentados pelo SBL, os pesquisadores desenvolveram um dispositivo chamado Gravador de Oscilação de Feixe (BOR). Essa ferramenta é projetada para monitorar e registrar as posições dos feixes de partículas em tempo real. Utilizando uma tecnologia avançada conhecida como RFSoC (Sistema de Frequência de Rádio em Chip), o BOR pode capturar com precisão os dados sobre os movimentos dos feixes de partículas pouco antes de um abortamento do feixe.

O BOR pode medir deslocamentos de posição com uma resolução impressionante de 0,03 mm, tornando-o super eficaz para monitoramento em tempo real. Esse dispositivo foi posicionado estrategicamente em áreas suspeitas de serem fontes de instabilidade, permitindo a análise dos eventos SBL. Com essa solução de monitoramento inovadora, um passo crítico foi dado para identificar e abordar os problemas que contribuem para a Perda Súbita de Feixe.

#Como o Gravador de Oscilação de Feixe Funciona

O BOR funciona coletando dados de eletrodos de botão colocados dentro da câmara de vácuo do acelerador. Esses eletrodos detectam a posição dos feixes de partículas enquanto se movem pelo sistema. Os sinais coletados passam por processamento em circuitos integrados dentro do RFSoC, possibilitando uma análise detalhada do comportamento do feixe.

O BOR registra dados de posição de feixe durante várias voltas antes de um possível abortamento, dando aos pesquisadores uma visão abrangente do estado do feixe. Esses dados podem então ser usados para identificar padrões e gatilhos que podem levar a eventos SBL.

#Componentes do Sistema de Gravador de Oscilação de Feixe

O BOR é composto por vários componentes que trabalham juntos para alcançar medições precisas. O dispositivo usa circuitos analógicos conectados a tubos coaxiais, que ajudam a alinhar o tempo dos sinais dos eletrodos de botão. Os sinais passam por filtros passa-baixa para eliminar ruídos de alta frequência, garantindo que os dados permaneçam claros e precisos.

Depois da filtragem, os sinais são processados por um amplificador antes de serem enviados para o RFSoC para digitalização. Essa digitalização é crucial para converter os sinais analógicos em um formato que possa ser facilmente analisado. O RFSoC em si é uma ferramenta avançada que integra várias funções, incluindo amostragem e processamento, em uma única unidade.

#Testando o Gravador de Oscilação de Feixe

Para garantir que o BOR funcione corretamente, os pesquisadores realizaram testes usando bumps de feixe locais, que envolvem ajustar deliberadamente a posição do feixe com ímãs. Durante esses testes, o BOR mediu com precisão a posição do bump de feixe, confirmando que atingiu a resolução alvo.

Além disso, o BOR foi comparado com um detector existente de feixes por feixe para validar seu desempenho. Ao induzir intencionalmente a instabilidade do feixe, os pesquisadores puderam observar como ambos os detectores reagiam. Os resultados mostraram que o BOR estava rastreando efetivamente as mudanças de posição dos feixes, confirmando sua confiabilidade como ferramenta de monitoramento.

#Observações de Eventos de Perda Súbita de Feixe

Com o BOR em funcionamento, os pesquisadores agora podiam observar e registrar eventos SBL em tempo real. Os dados coletados revelaram vários padrões de oscilações de posição de feixe e perdas de carga correspondentes durante esses eventos. Por exemplo, foi notado que quando o SBL ocorria, certos feixes apresentavam deslocamentos notáveis de posição antes que o feixe fosse abortado.

Essas observações são cruciais para os pesquisadores, pois fornecem os insights necessários para estabelecer conexões entre comportamentos específicos do feixe e os eventos subsequentes que levam ao SBL. Entender esses padrões pode eventualmente levar a soluções que diminuam o risco de ocorrências de SBL no futuro.

#Próximos Passos para Abordar a Perda Súbita de Feixe

Embora os resultados iniciais do BOR sejam promissores, os pesquisadores acreditam que são necessárias mais investigações. A complexidade dos eventos SBL indica que múltiplos monitores serão necessários ao longo das instalações do SuperKEKB para capturar uma gama mais ampla de dados. Distribuindo mais BORs por diferentes áreas, os pesquisadores podem obter uma compreensão completa de como e onde esses eventos são iniciados.

Nos próximos meses, há um plano para expandir a implementação de BORs baseados em RFSoC. Com isso, os pesquisadores esperam identificar possíveis fontes de instabilidade do feixe de forma mais eficaz e elaborar estratégias para reduzir o risco de SBL.

#Conclusão

O avanço do Gravador de Oscilação de Feixe utilizando a tecnologia RFSoC marca um progresso significativo nos esforços contínuos para enfrentar os desafios impostos pela Perda Súbita de Feixe no acelerador SuperKEKB. Com a capacidade de monitorar feixes de partículas em tempo real com alta precisão, os pesquisadores agora têm uma ferramenta valiosa para analisar e entender os comportamentos que levam a eventos SBL. Observações e coleta de dados contínuas serão vitais para identificar as causas raiz do SBL, abrindo caminho para soluções que melhorem o desempenho e a segurança do acelerador. Ao expandir a implementação dos BORs por toda a instalação, uma imagem mais completa vai emergir, facilitando melhorias na luminosidade e nos resultados experimentais.