ciao

Metodi di caratterizzazione e tuning di strutture RF

acceleranti alle alte frequenze

Candidata: Serena PersichelliRelatore:Prof. Luigi PalumboCorrelatori:Dr. Andrea MostacciDr. David Alesini

Contesto: il progetto SPARCSPARC (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

SPARC R&D

Banda X: progetto di strutture a 14.414 GHz per la correzione della distorsione introdotta durante l’accelerazione

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

SPARC: Sorgente Pulsata Autoamplificata di Radiazione Coerente

Per il 2012 è previsto un aumento di energia del fotoiniettore

Vantaggi della banda C:• Elevato gradiente ed elevati campi acceleranti • Lunghezze ridotte del LINAC•Abbassamento dei costi• Studio della recente tecnologia in banda C

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

Prototipo sezione accelerante in banda CSezione ad onda viaggiante22 celle + 2 accoppiatoriFrequenza operativa 5.712 GHzDifferenza di fase tra le celle 2π/3Velocità di fase cLunghezza 0.54 m

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.

tuners

Singola cella Accoppiatored’uscita

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

Vite tuner

RF breakdown innescato da:Electron field emissionScariche 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 assorbitaProduzione di luce visibile (durata ~μs) e onde

acustichePotenza trasmessa raggiungente livelli non rilevabili

con costante di tempo 20-200 nsOltre l’80% della potenza incidente viene assorbita

dalla scarica (oltre 50 MW)

Modello di Kilpatrick

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)

SPARC R&D Banda X: stato dell’arte

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

Come risultato dei test in potenza si ottiene un valore di breakdown rate Il collisore CLIC è stato progettato per avere BR<10-7 breakdown/pulse/meters

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 iridiGrado di purezza del rameTrattamenti termici

A. D. Yeremian, V. A. Dolgashev, and S. G. Tantawi, Choke for standing wave structures and flanges, in Proc. of IPAC 2010, Kyoto, Japan, 2010.

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

Il design interno delle celle ha lo scopo di ridurre i campi elettrici e magnetici vicino alle giunture

CHOKE

Le celle laterali accoppiano potenza dalla guida circolare e bilanciano campo elettrico

Gradienti acceleranti: 100 MV/m

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

Banda X (onda stazionaria): Teoria della misura perturbativa risonante (metodo di Slater)

Banda C (onda viaggiante): Teoria della misura perturbativa non risonante (metodo di Steele) 22 in p i steele zP j k E

2

00

zslater

Ek

U

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

PCGPIB-EthernetMotore passo-passoVNA Agilent – HPVI LabVIEW

Agilent N5230A (10MHz ÷20GHz)HP 8753 E (30MHz ÷ 6 GHz)

Caratterizzazione RF cavità triple-choke in banda XPer 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

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

I tre modi risonanti hanno sfasamenti diversi del campo nella struttura

Confronto tra le due cavità triple-choke in banda X

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

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

Caratterizzazione RF del prototipo in banda CNumero di punti 1601

Calibrazione 1-port

IF bandwidth 300 Hz

Frequency sweep 5.5-5.8 GHz

Time sweep 25 ms

VNA HP 8753E

INPUT PORT50 Ω

50 Ω

56 cm

Oggettoperturbante

-21 dB @ 5.710899 GHz

Field flatness 26%

22 Ezj

in p i steele z z zP j k E E E e ,

Modello di analisi del de-tuning di una cella

J. Shi, A. Grudiev, A. Olyunin, Tuning of CLIC accelerating structure prototypes at CERN, tech. rep., CERN, Geneva,2010

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

Detuno della cavità

Frequenza nominale

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

Procedura di tuning di strutture acceleranti TWMisura dei profili di campo elettrico (An e Bn) con il metodo bead-pulling

Misura della temperatura e calcolo della frequenza

operativa

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 HFSSPer 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

CASO REALISTICO

Si è introdotto un detuno sulla quinta cella modificandone la geometria interna

A causa delle approssimazioni fatte l’algoritmo non è affidabile sulle celle 1 e 2 ed N-1 e N

Coefficienti di riflessione pre-post tuning

PRE-TUNING: S11=-21 dB

POST-TUNING: S11=-35 dB

Profili di campo pre-post tuningPRE-TUNING

• Field flatness 26.2%•Avanzamento medio di faseΔφ= -121.093°• Scostamento medio frequenza nominale Δf=-1.9 MHz

POST-TUNING

• Field flatness 18.2%•Avanzamento medio di faseΔφ= -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 energeticodell’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’uscita1) Consideriamo la cella N (accoppiatore di uscita) e la N-1 (cella 23)

come un’unica cella N’

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):

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

[( 1 ) ]1

j N iN i iB B e

BN-6

BN-6 e-jφ