Problematiche relative allarealizzazione delle cavita’ di

PIAVE

1. Le cavita’ risonanti superconduttive per acceleratori

2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE3. Le cavita’ SRFQ: dalle prove in laboratorio

all’operazione sull’acceleratore

G. Bisoffi - Corso sulle macchine acceleratrici - LNL 7-10 gennaio 2003

1. Le cavita’ risonantisuperconduttive per acceleratori

• Cavita’ risonanti• Superconduttivita’• Tecnologie di costruzione

1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori

Acceleratori senza cavità: accelarori elettrostatici

Energia sufficiente (15 MV * (q+1))per collisioni di interesse per la fisica nucleare. Per energie superiori, tuttavia, il principio di accelerazione deve mutare.

1) Non si riesce a caricare nuovamente di elettroni perticelle già accelerate a questa velocità.

2) Potenziare i tandem e' tecnologicamente molto difficile (Strasbourg -VIVITRON - 35 MV = ?).

1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori

Dagli acceleratori elettrostatici alle cavita’ risonanti

Cavità risonanti: amplificano un segnale elettromagnetico in ingresso e creano lungo l'asse del fascio un elevato campo elettrico che varia a radiofrequenza (LINAC). La sincronizzazione tra il pacchetto di fascio e la fase dell'onda elettromagnetica è cruciale per l'accelerazione.

STRUTTURA RISONANTE – Scatola metallica a pareti perfettamente conduttrici

che fa da confinatore di energia elettromagnetica: inviando al suo interno radiazione elettromagnetica, modi di vibrare con

E=E|| , H=HT sempre perpendicolare possono sussistere.Può essere considerata come una trasformazione di un circuito LC

(induttanza collegata ad una capacità), in cui le spire di L si moltiplicano sino a tradursi in una parete uniforme.

Si utilizza la regione di alto E per farvi passare le particelle da accelerare.

Risonatore elettromagnetico: una scatola metallica

1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori

LCL

La cavità a quarto d’onda - QWR (Quarter Wave Resonator)

Si tratta di una scatola metallica particolare

costituita da un tratto di cavo coassiale,

cortocircuitato ad un estremo ed aperto all’altro estremo.

Alla “risonanza” principale (utile per accelerare particelle) il campo

magnetico è massimo all’estremità

cortocircuitata e raggiunge il minimo

all’estremo opposto, e viceversa per il campo

elettrico

L

C

1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori

Parametri caratteristici di una cavità risonante

• Frequenza f: numero di oscillazioni al secondo (legata al volume EM interno)

• Campo elettrico accelerante (Eacc) e guadagno di energia della particella ∆W (rel. A.M.Porcellato)

• Energia immagazzinata: energia elettromagnetica che è necessario accumulare in cavità per produrre un certo Eacc.

• Campi superficiali massimi: il limite e’ sui massimi valori dei campi E e H raggiungibili sulla superficie interna (emissione di elettroni o riscaldamenti anomali) ad essi e’ proporzionale il campo accelerante

1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori

Il fattore di qualità Q e le soluzioni N/S conduttiveFattore di qualità (Q)

Q è quindi l’indice di quanto la cavità riesca a conserbare nel tempo l’eneria immagazzinata: Q vale circa 104 per cavità normal

conduttive (NC) (P~100 kW) e 109 per cavità superconduttive (SC) (P ~ 1 W)

Naturalmente parte del risparmio sulla bolletta elettrica viene pagato con il costodella liquefazione dell’elio necessario alla refrigerazione alla temperatura di4 K (-263 °C) il vantaggio di operare una cavità in regime SC ad un fattore circa 400, comunque apprezzabile

PU*ωQ =

1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori

Cavita’ NC: anche a maggior consumo, la potenza che si puo’ dissipare in pratica e’ < 10-100 kW: oltre, l’incremento di temperatura provoca fenomeni(stress meccanico, espansione termica, degassaggio) che la rendono pocopratica:vengono limitati quindi o il ciclo di accensione ( 1-20 %) o il valore deicampi elettrico e magnetico (U)

Superconduttività: cenni

•• La resistenza elettrica dc va a

zero nello stato SC sotto la temperatura critica (9.2 K per niobio)

• Per T < TC : Piccola ma basilare attrazione tra elettroni di conduzione, dovuta all’interazione tra loro e la vibrazione degli atomi del materiale (teoria BCS).

• Un primo elettrone causa una distorsione locale della struttura cristallina ed un accumulo locale di carica positiva. Questa si traduce in un potenziale attrttivo verso l’elettrone successivo.

1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori

resTT

s ReT

ARC

+=−αω 2

Per frequenze sotto i 10 GHz e T < TC/2,

Somma di resistenza BCS (modello a due fluidi) e della resistenza residua Rs (10-20 nW), la quale non dipende dalla temperatura ma rende conto di limitazioni dei materiali SC reali Rres domina in genere nei risonatori a bassa frequenza(f=50-150 MHz), dove quindi l’operazione a 4.2 K (e non in regime di elio superfluido) è sufficiente.

Piombo e Niobio: i due materiali(SC a T < TC) piu’ comunemente

usati per costruire cavita’.

Superconduttività: cenni

1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori

Tecnologie di costruzione• Strato superficiale di alcuni µm di Pb (per elettro-

deposizione) o Nb (per sputtering) su una base di ramemassiccio: la penetrazione dei campi EM e’ molto ridotta. Si sfrutta la ottima conducibilita’ termica del Cu.

• Formatura e saldatura di pezzi in Niobio pieno: lastra da2÷3 mm per minore conducibilita’ termica, migliore per geometrie complesse.

1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori

PIAVE

EXPERIMENTALHALLS 1, 2

QWR di ALPI

CR10 CR9 CR8 CR7 CR6 CR5 CR4 CR3 B2

CR12 CR13 CR14 CR15CR16 CR17 CR18 CR19 CR20 B4

COLD BOX

XTU TANDEM

Sezione di piu’ altaenergia

β =13%, Niobio su Rame, 160 MHz

B3

Sezione di energia intermediaβ =11%, Piombo/Niobio su

Rame, 80 MHz

Sezione di piu’ bassaenergia

β =5.5%, Niobio in lastra, 80 MHz

1. ALPI – Cavita’ QWR2. Varie tecnologie di

costruzione e frequenze3. Solo su PIAVE

anche cavita’ RFQ

ECR

Sezione ad energia intermedia: β=11%, Pb/Cu & Nb/Cu, 160 MHz

Si toglie chimicamente lo strato di Pb e si fa uno Sputtering di Nbsulle medesime basi di Rame

Risultato: Ea (@7 W): da 2.3 (Pb) a 4.3 MV/m (Nb)

1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori

PR

OG

ETT

O A

LPI U

PG

RA

DE

• Buon vuoto• No Scariche

• Alta temperatura del substrato

Niobium Sputtering (Nb/Cu)

Catodo: Tubo in Nb

Base di Cu

1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori

PIAVE 80 MHz, β=0.047 QWR

1.00E+07

1.00E+08

1.00E+09

1.00E+10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Ea (MV/m)

Q

Q at 7W

old specifications

new specifications

PIAVE bulk Nb QWR's

Sezione ad energia inferiore (e PIAVE): β=5.5%, Nb pieno, 80 MHz

1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori

2. Le cavita’ SRFQ1 e SRFQ2 di PIAVE

•Introduzione•Costruzione ed assemblaggio•Caratterizzazioni in fase costruttiva•Trattamenti superficiali•Condizionamento e prestazioni finali

L’iniettore PIAVE

SCBooster

ALPI

XTU-Tandem

Positive Ion InjectorPIAVE

ECRIS Alice350kV platform

2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE

A che serve PIAVE?

1) PIU’ CORRENTE

2) MASSE PIU’ PESANTI

3) PIU’ BEAM TIME

DISPONIBILE (DUE

INIETTORI)

ALPI Output with the two Injectors

0

10

20

30

0 50 100 150 200 250A

E/A

[MeV

/u]

Tandem+ALPI (G-F) (1-10 pnA)

PIAVE+ALPI (40-200 pnA)

New Injector

Tandem

2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE

Massa degli ioni accelerati

SRFQs

ECRIS

QWRs

to ALPILEBT

CRYOSTAT

CRYO-PLANT

2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE

Schema di PIAVE

beamline

SRFQ2

1.38 m 0.74 m

SRFQ1

37 keV/u (β = 0.0089) 585 keV/u (β = 0.035)

f0=80MHz

2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE

Due RFQ superconduttivi in un solo criostato

• Focheggiamento ⇐ ET (principale)• Accelerazione ⇐ E‖ (piccola ma efficace)

Modulazione dei 4 vani (sincrona coi pacchetti di fascio)Un periodo di modulazione = βλ

NORMALE CONDUTTIVA∆U ~ 100 kV, Q ~ 104, d.c. < 20%

con alcune eccezioni(Los Alamos: 2.2.MW rf, 100 mA-beam)

SUPERCONDUTTIVA∆U~ 300 kV, Q~109, d.c. = 100%

Motivata dal minor consumo (c’e’ ALPI che va gia’ a d.c. = 100%)

(kr)coskz]IAcos2θr[A2Vz)θ,U(r, 010

201 +=

Ideale per β=v/c < 0.05Di solito NC, 50-400 MHz

2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE

Come funzione l’RFQ

0.8 m

f0 = 80 MHz(± 10 Hz)

2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE

SRFQ2 di PIAVE in Niobio pieno (lastra s =3 mm)

Fasi di costruzione e assemblaggio

In rapida carrellata fotografica

2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE

Cilindri cavi (per l’elioliquido) dietro i vanimodualti

Pre-lavorazione dei vani da “modulare”

Test di accoppiamento tra vani da modularee cilindri

Studio di un foro ellittico in grado dipermettere una estrusione di pari diametro

Strumentoper

l’estrusione

L’estrusione si paga in assottigliamento(da 3 a ~ 2 mm)

Preparazione all’accoppiamento pre-saldaturatra foro estruso e supporto

Piegatura ed elettro-erosione dei supporti

Componenti di un supporto,

da saldare a fascio dielettroni

Loro saldatura…

Il fascio di elettroni (150 kV-10 mAin camera a 10-5 mbar) fonde tra loro i lembi accostati: la zona fusa poirapprende

e - Il pezzo si muove sottoil fascio, che resta fermo.

Elettrodi e supportipronti per esseresaldati gli uni agli

altri

Saldatura EBW trasupporti ed

elettrodi

Pezzi saldati pronti per distensione termicae lavorazione della modulazione

Distensione a 800 °Cnel forno di DESY (D) (courtesy of W. Singer)

Lavorazione della modulazione (di nuovo a LNL)

Calandratura dei 4 quarti di tank esterna

Lavorazione del loro lembo (pre-saldatura)

Le costolature esterne di irrigidimento in Ti prevedono un inserto saldato in Nb per evitare la

diffusione di Ti (non SC!) dentro la cavita’

Distensione delle costolature di irrigidimento nel forno di Legnaro prima della loro saldatura ai quarti

di tank

La saldatrice EBW della Zanon SpA lascia uscireun quarto di tank con la gabbia in Ti saldata

E’ il momento di mettere assieme 8 pezzi e centrarlia meglio di 0.1 mm

Ciascun elettrodo e’ posizionato con precisione di± 50 µm rispetto ad una struttura di riferimento

esterna

Saldati i supporti alle basi irrigidite i pezzi sonodiventati 4 e l’allineamento deve essere rifatto

Saldatura EBW tra quarti di cavita’ (da fuori – EBW su tutto il 1.6 mm di spessore)

La tank viene portata alla sua lunghezza di progetto

Saldatura delle flange alla cavita’

Fascio di elettronifisso

La cavita’ e’ fatta ruotare e traslare

Il prodotto finito.

• Sensibilita di f0 al vuoto• Sensibilita di f0 al freddo• Attacco di pulizia chimica e sensibilita di f0 al

questa• Rimozione di microparticelle con trattamento di

acqua deionizzataad alta pressione (HPWR)

2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE

Operazioni conclusive della fase di costruzione.

Obiettivo: raggiungere 80 MHz (± 100 kHz) in vuoto, a 4 K e dopo pulizia chimica

Diminuzione di f0 = - 16 kHz

Rigidita’ meccanica: deformazioni sotto vuotoe diminuzione di f0

Le barre in Ti longitudinalifanno una freccia di 20 µmsotto vuoto

Gli elettrodi si avvicinano e laCapacita’ cresce

Come varia la frequenza durante il raffreddamento? SRFQ in vuoto ed in un bagno di azoto liquido

79.7

79.8

79.9

80

80.1

80.2

80.3

0 1 2 3 4 5 6

At 300KAt 77K

Fine tuning rangef [

MHz

]

Theoretical f-change from 300 to 77 K

SS-SRFQ2 liq. Nitrogen tests

Measurement number

Conclusione: riscontro con la previsione teorica moltobuono, soprattutto rispetto all’ intervallo diregolazione fine a disposizione (vedi piu’ avanti)

2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE

Variazione di frequenza durante il raffreddamento.

Una mappatura termica puòessere applicata a cavità digeometria semplice per rilevareposizione ed effetti di un particolare difetto.

Difetti rilevati con mappa-T e SEM

Perdite localizzate in zone di alto campo magnetico superficiale : difetti

Opportunita’ di rimuovere lo strato superficiale

danneggiato, inquinato o schiacciatodurante la

costruzione (~ 100 µm)

2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE

CP @ CERN

Rimozione di 50÷120 µm con unasoluzione di acidi nitrico, solforicoe ortofosforico.

Da fare per gradi successivi, per verificare come varia la f0 con la rimozione del materiale.

2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE

Pulizia chimica al CERN

L’azione dell’acido va bloccata subito con lavaggiSuccessivi di acqua deionizzata

• 5 litri di acetone• 500 litri a 80 bar di acqua

deionizzata• 10 litri di alcol etilico• Asciugatura con aria

calda filtrata• Chiusura immediata con

le flange di fondo

Giovanni BISOFFI – EPAC 2002 Superconducting RFQs at INFN-LNL

High Pressure Water Rinsing

2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE

Richiamo... (A.M. Porcellato)

Per determinare se una cavità raggiunge i suoi parametri di progetto, o se un nuovotrattamento superficiale ne ha miglioratole prestazioni, si eseguono misure del fattore di qualità contro il campo accelerante.

Una cavità di cui si deve valutare il Q è equipaggiata con un accoppiatore per la potenza in ingresso dalla sorgente rf(antenna di coupler) e di unauscita (antenna di pickup), che normalmentecampiona una parte dell’energiaimmagazzinata nel risonatore.

OSC

AMPGEN

Misura delle prestazioni della cavita’

2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE

1.E+06

1.E+07

1.E+08

1.E+09

0 5 10 15 20 25 30

Peak Surface Field [MV/m]

QLast multipacting level,conditioned in SC regime ( t < 4 h )

Condizionamento dei livelli di Multipacting

2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE

Perdite relative ai campi elettrici superficiali: Emissione di campo (FE)

Il tipico meccanismo che limita i campi nelle cavità SC è l’emissione di campo:

In zone di alto campo elettrico, vengono emessi elettroni, che assorbono gran parte dell’energia che viene fornita alla cavità.

Fin dove puo’ arrivare il campo accelerante?

2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE

La emissione iniziale provoca sufficiente calore da liberare gas a livello locale, che poi viene ionizzato dalla corrente di emissione. Gli ioni sono accelerati verso la superficie rf, liberano ancora più gas innalzando la T.

Perdite relative ai campi elettrici superficiali: Emissione di campo (FE)

2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE

1.E+07

1.E+08

1.E+09

0 5 10 15 20 25 30Peak surface field [MV/m]

Q

1 W 2 W

5 W

10 W

20 W

40 W

1 h 1.5 h 6 h 11 h

Condizionamento della emissione di campo

2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE

3. Gli SRFQ: dalle prove in laboratorio all’operazione in

PIAVEIn operazione deve restare a campo costante (bencondizionata) e sincrona coi pacchetti di fascio

(∆φ=k rispetto all’oscillatore di riferimento → e’ utile chef0 = 80 MHz ± 0.0001 – agganciata in frequenza)

• Regolazione di f0 alla precisione di alcuni Hz• Sensibilita’ di f0 alle variazioni di pressione del bagno di He liquido• Controllo elettromagnetico di f0 con vibrazioni meccaniche• Risultati sperimentali• Conclusioni

Frequenza e Pressione del bagno di He

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 50 100 150 200 250 300Pressure Change [mbar]

Freq

uenc

y C

hang

e [k

Hz]

- 39 Hz/mbar

Cryogenic-Plant Specs: 1.2 ±0.05 bar; ∆P/∆t < 2 mbar/min → 1.33 Hz/s

IMP

OR

TAN

TE P

ER

ELI

O IN

CIC

LO D

I RE

FRIG

.

- 48 Hz/mbar

(QWR-Nb: – 5 Hz/mbar)

SRFQ2

SRFQ1

3. SRFQ: dal laboratorio all’operazione

Variazioni lente di f0 in lab (∆P del bagno di He)

0

10

2030

40

50

60

7080

90

100

15:21 16:04 16:48 17:31 18:14

He

refill

Scarichi degli essicatori,collegati in parallelo a tuttigli impianti(8÷16 volte/ora)

A 80% Ea,max

Time of the day

Freq

uenc

y D

rift [

Hz]

ELI

O E

VA

PO

RA

TO A

RE

CU

PE

RO

NB: le variazioni di frequenza dovute al purificatore scompaionocol bagno pressurizzato a +0.140 bar

3. SRFQ: dal laboratorio all’operazione

Regolazione fine di f0 (∆C →- ∆f0)

Ce n’e’ due! (± 3 mm)(sistema virtualmente

privo di scartomeccanico)

Sensibilita’: 0.5 Hz

Intervallo coperto:300 kHz

(150 kHz → +∆f tuner;-150 kHz →–∆f tuner)

Velocita’ divariazione ≥ 2.5 Hz/s

+ ∆C − ∆C

3. SRFQ: dal laboratorio all’operazione

Al tasso di ∆f misurato in lab, ogni tuner si muove di alcuni decimi di mm al giorno! → lo si porta a zero solo all’inizio del turno.

Variazioni rapide di f0: vibrazioni meccaniche

∆f = 20 HzPampl = (2πU ∆f) = 500 W

Amplif. da 1 kW, QL~106

Modo SEL, aggan. in ϕ&A

Q0=8x108 @ f0 = 80 MHz → ∆f0 = f0 /Q0 = 0.1 Hz!

0.1 Hz

20 Hz

1. Struttura irrigidita da una gabbia di Ti2. Modo meccanico inferiore ~ 120 Hz

(contro 40÷70 Hz in genere per cavita’ SC)3. Sala linac: ragionevolmente quieta > 60 Hz

QL = ωU/(Pd+Pe) = f0 / ∆fL

3. SRFQ: dal laboratorio all’operazione

Locked_following-f_0 (martellata su criostato)

-250

-200

-150

-100

-50

0

500 5 10 15 20 25

Time [s]

∆f [

Hz]

Risoluzione: 0.25 s

3. SRFQ: dal laboratorio all’operazione

Non si innescano oscillazioni! Buon segno.

Una sicurezza ulteriore: i Fast Tuners

Intervallo di frequenza controllata 20 → 200 Hz, Fast Tuners (ANL→LNL, July 02)Adattati da un disegno che funziona ad Argonne (USA), costruiti ANL con collaborazione LNL (V. Andreev, GB, E. Bissiato, D. Carlucci, O. Carletto)

Il tuner originale di Argonne

I tuner di LNL in assemblaggio

3. SRFQ: dal laboratorio all’operazione

SCHERMATA DELLA PAGINA DI CONTROLLO DEGLI SRFQ1&2 PER LA CONSOLLE DI OPERAZIONE MACCHINE

f & A errors during locking at 77% of specified field

-2.00E-01

-1.50E-01

-1.00E-01

-5.00E-02

0.00E+00

5.00E-02

1.00E-01

1.50E-01

2.00E-0118:11:31 18:18:43 18:25:55 18:33:07 18:40:19

Time of the day

f & A

err

or [V

]

Phase errorAmplitude error

Interviene Tuner 1

Interviene Tuner 2

3. SRFQ: dal laboratorio all’operazione

Zoom on the effect of dryer depressurizations

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

011:35:18 11:36:01 11:36:45

Time of the day

∆f [

Hz]

3. SRFQ: dal laboratorio all’operazione

3. SRFQ: dal laboratorio all’operazione

In conclusione …• SRFQ1&2: i primi RFQ SC che raggiungono le

prestazioni di progetto e che vengono montati su un acceleratore

• Raggiungono il campo accelerante richiesto (rel. di A. Pisent)

• Sono centrati e stabili in frequenza (80 MHz) rispetto alletutte le sollecitazioni che hanno potuto subire in laboratorio

• Resta da provare come si comportano nel criostatofinale nel vano PIAVE (ma intanto si e’ gia’ fatta un belpo’ di strada…)

• Se funzioneranno la’, la loro operazione sara’ simile aquella delle cavita’ QWR