ciao
Contesto: il progetto SPARC
SPARC (Sorgente Pulsata Autoamplificata
di Radiazione Coerente) è un
acceleratore lineare per la generazione di
fasci di elettroni ad alta brillanza in grado
di innescare un meccanismi di auto
amplificazione spontanea (SASE) per la
produzione di radiazione laser di tipo FEL
Banda X: progetto di strutture a 14.414 GHz per la correzione della
distorsione introdotta durante l’accelerazione
SPARC R&D
Banda C: progetto e istallazione sulla linea di fascio di una sezione ad
onda viaggiante a 5.712 GHz per aumentare l’energia di SPARC dai 180
MeV attuali ai 240 MeV
SPARC R&D banda C: stato dell’arte
Per il 2012 è previsto un aumento
di energia del fotoiniettore
Una sezione accelerante in banda S
(2.856 GHz) verrà sostituita da due
sezioni ad onda viaggiante in banda C
(5.712 GHz) di 1.4 m ciascuna
Banda S
Banda S+C
Energia
170 MeV
280 MeV
Gradiente
20 MV/m
35 MV/m
Vantaggi della banda C:
• Elevato gradiente ed elevati campi acceleranti
• Lunghezze ridotte del LINAC
• Abbassamento dei costi
• Studio della recente tecnologia in banda C
SPARC: Sorgente Pulsata Autoamplificata di Radiazione Coerente
Prototipo sezione accelerante in banda C
Sezione ad onda viaggiante
22 celle + 2 accoppiatori
Frequenza operativa  5.712 GHz
Differenza di fase tra le celle  2π/3
Velocità di fase c
Lunghezza  0.54 m
De-tuning dovuto a processi di
fabbricazione delle celle comporta:
 Differenza di fase tra celle
diversa da 2π/3
 Campi stazionari nella struttura
Conseguenze sul LINAC:
 Perdita di sincronia con il fascio
 Abbassamento gradiente accelerante
 Riflessioni in ingresso
tuners
Vite tuner
Singola cella
Accoppiatore
d’uscita
D. Alesini, G. Campogiani, A. Mostacci, L. Palumbo, S. Persichelli, V. Spizzo, Design, fabrication and high
power RF test of a C-band accelerating structure for feasibility study of the SPARC photo-injector energy
upgrade, Proc. of IPAC 2011, San Sebastian, Spain, 2011.
SPARC R&D Banda X: stato dell’arte
INFN-LNF è inserito all’interno di una collaborazione
internazionale per valutare il massimo gradiente
sostenibile in un acceleratore RF normal conducting con
probabilità di breakdown estremamente bassa
(BR<10-7 breakdown/pulse/meters)
RF breakdown innescato da:
 Electron field emission
 Scariche dovute a gas residui o protoni in superficie
Si manifesta con :
 Burst di corrente emessi lungo la beam pipe (~1 A)
 Produzione di raggi X dovuti alla corrente assorbita
 Produzione di luce visibile (durata ~μs) e onde
acustiche
 Potenza trasmessa raggiungente livelli non rilevabili
con costante di tempo 20-200 ns
 Oltre l’80% della potenza incidente viene assorbita
dalla scarica (oltre 50 MW)
Modello di Kilpatrick
V. A. Dolgashev, S. G. Tantawi, Y. Higashi, and B. Spataro, Study of basic RF breakdown phenomena in high
gradient vacuum structures, in Proc. of Linac 2010, Tsukuba, Japan, 2010
Prototipo di cavità triple-choke ad alti campi in banda X
Cavità standing wave triple-choke in banda X:
• 3 celle
• f=14.424 GHz
• Campo E nella cella centrale doppio che nelle laterali
Solo la cella centrale è stata progettata per simulare elevati
campi elettrici: @ 10 MW Epeak=327MV/m
 2 strutture triple-choke sono state
costruite presso INFN Frascati
 Sono state sottoposte processi di Electron
Beam Welding (100-200°C)
 Tutti gli esperimenti in potenza sono stati
condotti a SLAC
Gli esperimenti hanno lo scopo di verificare la
riproducibilità del breakdown al variare di:
Geometria delle iridi
Grado di purezza del rame
Trattamenti termici
Le celle laterali accoppiano
potenza dalla guida circolare e
bilanciano campo elettrico
Il design interno delle celle ha
lo scopo di ridurre i campi
elettrici e magnetici vicino
alle giunture
Gradienti
acceleranti:
100 MV/m
CHOKE
Come
risultato
test in and
potenza
si ottiene
un valore
di breakdown
rateand flanges, in Proc. of IPAC 2010,
A. D.
Yeremian,
V. A. dei
Dolgashev,
S. G. Tantawi,
Choke
for standing
wave structures
Il collisore
CLIC è stato progettato per avere BR<10-7 breakdown/pulse/meters
Kyoto,
Japan, 2010.
Obiettivi della tesi
 Caratterizzazione di due cavità acceleranti ad onda stazionaria
in banda X (14.414 GHz) realizzate per studi di breakdown a
radiofrequenza
 Caratterizzazione di un prototipo di sezione accelerante ad onda
viaggiante in banda C (5.712 GHz) progettato per l’aumento di
energia dell’acceleratore SPARC
 Implementazione di un algoritmo per la sintonizzazione (tuning)
di strutture acceleranti ad onda viaggiante
 Applicazione del metodo di tuning sul prototipo di sezione
accelerante in banda C
Banco di misura dei campi nelle strutture con il
metodo bead-pulling
Per le misure a bassa potenza (parametri di scattering, profili di campo elettrico) abbiamo utilizzato
un banco di misura comune per le strutture in banda X e il prototipo in banda C
Agilent N5230A (10MHz ÷20GHz)
HP 8753 E (30MHz ÷ 6 GHz)
Banda X (onda stazionaria):
Teoria della misura
perturbativa risonante
(metodo di Slater)

Ez2
 kslater  0
0
U
PC
GPIB-Ethernet
Motore passo-passo
VNA Agilent – HP
VI LabVIEW
Banda C (onda viaggiante):
Teoria della misura perturbativa non risonante
(metodo di Steele)
2Pin p i   jksteele Ez 2
Caratterizzazione RF cavità triple-choke in banda X
Per entrambe le strutture sono stati calcolati:
• Frequenze di risonanza dei tre modi
• Coefficiente di accoppiamento β delle antenne
• Fattore di qualità non caricato Q0 dei tre modi
I tre modi risonanti
hanno sfasamenti diversi
del campo nella struttura
Sono state sviluppate delle routine di fitting dei parametri S11 ed S12 per il calcolo dei valori dei parametri
β e Q0 ed fres e relative incertezze. Il modello utilizzato è quello del coefficiente di riflessione alla singola
risonanza, interpolando le seguenti equazioni:
con
Confronto tra le due cavità triple-choke in banda X
Per ognuno dei due prototipi in banda X sono stati misurati:
• Profili di campo dei tre modi risonanti
• Parametri di scattering (S11, S12, S22) per i tre modi risonanti
 Solo Il prototipo n° 2 soddisfa le
specifiche relative ai profili del campo
 Entrambe le strutture soddisfano le
specifiche in termini di parametri di
scattering e fattori di risonanza
Caratterizzazione RF del prototipo in banda C
VNA
HP 8753E
Numero di punti
1601
Calibrazione
1-port
IF bandwidth
300 Hz
Frequency sweep
5.5-5.8 GHz
Time sweep
25 ms
Oggetto
perturbante
Field flatness 26%
50 Ω
-21 dB @
5.710899 GHz
INPUT
PORT
56 cm
50 Ω
j
2 Pin   p i   j ksteele Ez 2 , Ez  Ez e
Ez
Modello di analisi del de-tuning di una cella
In una struttura ad onda viaggiante composta da n celle accoppiate il campo nella cella
n-esima sarà dato dalla somma dei contributi di un’onda diretta An e di un’onda riflessa Bn :
Detto Γn coefficiente di riflessione locale visto dalla porta n-esima si ha il seguente sistema:
Ipotesi :
Le riflessioni ad una
generica porta sono date da:
Con
Frequenza nominale
Detuno della cavità
Frequenza di risonanza della cavità
Ogni cella della sezione è considerata una singola cavità risonate con fattore di qualità (unloaded) Q’0~100
Per le strutture TW progettate
in accoppiamento critico
valgono le seguenti approssimazioni:
Coefficiente di riflessione
puramente immaginario
dipendente dal detuno
J. Shi, A. Grudiev, A. Olyunin, Tuning of CLIC accelerating structure prototypes at CERN, tech. rep., CERN, Geneva,2010
Procedura di tuning di strutture acceleranti TW
Misura della temperatura e
calcolo della frequenza
operativa
Misura dei profili di
campo elettrico (An e
Bn) con il metodo
bead-pulling
La routine di tuning prende in
ingresso i dati della misura bead-pull
e fornisce n valori dei massimi del
modulo del campo e rispettive fasi
L’algoritmo calcola:
 n valori dei coefficienti di riflessione locale
 la correzione ΔΓglobal da fornire alla cella n-esima
Definire il verso di avvitamento dei tuners (push/pull) a seconda del segno di Γlocal :
(Aumenta la frequenza di risonanza della cella)
(Diminuisce la frequenza di risonanza della cella)
Sintonizzare le celle fornendo
manualmente con i tuners la correzione
data dall’algoritmo, monitorando il grafico
polare dell ΔΓglobal sul VNA
Ripetere
iterativamente
i
passaggi
precedenti
fintanto che si verifica la
condizione
Test algoritmo di tuning di una struttura simulata HFSS
Per la sintonizzazione della sezione in banda C è stato
scritto un algoritmo MATLAB che è stato testato
inizialmente su di una struttura a 8 celle virtuale
simulata con HFSS
CASO IDEALE
A causa delle
approssimazioni
fatte l’algoritmo
non è affidabile
sulle celle 1 e 2
ed N-1 e N
CASO REALISTICO
Si è introdotto un
detuno sulla
quinta cella
modificandone la
geometria
interna
Coefficienti di riflessione pre-post tuning
PRE-TUNING:
S11=-21 dB
POST-TUNING:
S11=-35 dB
Profili di campo pre-post tuning
PRE-TUNING
• Field flatness 26.2%
•Avanzamento medio
di fase
Δφ= -121.093°
• Scostamento medio
frequenza nominale
Δf=-1.9 MHz
POST-TUNING
• Field flatness 18.2%
•Avanzamento medio
di fase
Δφ= -119.647°
• Scostamento medio
frequenza nominale
Δf=-0.01 MHz
Avanzamento di fase pre-post tuning
 Il tuning ha migliorato la qualità del campo accelerante:
 La potenza riflessa è solo l’1% degli iniziali -21 dB
 Struttura accelerante più efficiente per il miglioramento dell’8% di field flatness
 Il tuning ha migliorato l’avanzamento di fase tra celle che garantisce massimo guadagno
e sincronia con il fascio:
 I residui di campo stazionario non interferiscono con il fascio di particelle, che essenzialmente
percepisce solo il campo ad onda viaggiante
Conclusioni e sviluppi futuri
 E’ stata effettuata la caratterizzazione RF delle due cavità ad onda
stazionaria triple-choke in banda X per studi di breakdown
 Le strutture sono state inviate presso i laboratori SLAC per i test in
potenza nell’ambito della collaborazione internazionale
 E’ stata effettuata la caratterizzazione RF della sezione accelerante
ad onda viaggiante in banda C per l’upgrade energetico
dell’acceleratore SPARC
 E’ stata elaborata una procedura di tuning per strutture ad onda viaggiante, implementata
da un algoritmo MATLAB
 E’ stato elaborato un metodo per la correzione dell’accoppiatore d’uscita
 E’ stato effettuato con successo il tuning della sezione in banda C
 Sono state studiate varie possibilità per ridurre le approssimazioni dell’algoritmo usato
Correzione dell’errore sull’accoppiatore d’uscita
1) Consideriamo la cella N (accoppiatore di uscita) e la N-1 (cella 23)
come un’unica cella N’
BN-6
2) Si considerano i valori di onda riflessa B’ nelle 6 celle precedenti la
cella N-1, riportati indietro alle cella N-1 moltiplicandoli per un
fattore di fase positivo (i=N-1,….,N-7):
j [( N 1i ) ]
BN 1i  Bi e
BN-6 e-jφ
3) Si calcola il valore medio BN’ e si imposta il seguente sistema:
4) Si divide BN’ per l’onda diretta AN-1 per ottenere il coefficiente di riflessione locale delle celle N ed N-1
5) Operando le seguenti sostituzioni
ed
6) Si controlla il miglioramento in termini di field flatness