Peauger

CLIC: CALIFES et nouvelles
activités RF en bande X
• Généralités sur CLIC
• CALIFES (CEA+LAL+CERN)
• Démarrage et commissioning
• Déphaseur de puissance
• Banc de test 12 GHz au CERN
• Modulateur haute tension, klystron
• Composants RF de puissance 12 GHz
• Structure accélératrice 12 GHz avec wakefield monitors
• Planning
ROSCOFF
12 Octobre 2009
F. Peauger
Concepts clefs du collisionneur lineaire e+e- CLIC
Haute fréquence 12 GHz et haut gradient 100 MV/m → collisionneur compact
Un seul tunnel, sans élément actif à l’intérieur
Schéma classique Klystron-modulateur remplacé par un faisceau fort courant appelé
Drive Beam
Puissance transportée dans le Drive Beam au lieu des guides d’ondes habituels
Recombinaison des paquets du Drive Beam
→ permet d’augmenter le courant et de générer des pulses RF courts sans
compresseur d’impulsion RF
Nouveau type de structures décelératrices appelées PETS pour extraire et transférer
la puissance aux structures accélératrices
Energie nominale = 3 TeV dans le centre de masse
Luminosité = 6 . 1034 cm-2 s-1
2
Schéma général de CLIC
Version 3 TeV = 48.3 km
Version 500 GeV = 13 km
3
Module CLIC à deux faisceaux
PETS
-6.5 MV/m, 136 MW, 213 mm
Drive Beam 100A
Main Beam 1A
Structures
acceleratrices
+100 MV/m, 64 MW,
229 mm
Longueur du module = 2 m, quantité = 10462 à 3 TeV
4
CTF3 et participation CEA
CHARGES RF 12 GHz
pour TBL
DELAY
LOOP
4 A – 1.2 ms
150 Mev
DRIVE BEAM
LINAC
COMBINER
RING
32 A – 140 ns
150 Mev
Two Beam
Test Stand
FAISCEAU SONDE CALIFES
0.9 A – 21 ns – 170 MeV
10 m
CLEX
CLIC Experimental Area
BANC DE TEST
12 GHz
STRUCTURE ACCELERATRICE
WAKEFIELD MONITOR 12 GHZ
5
Implantation de CALIFES dans CTF3
Profileur de
faisceau
Longueur totale = 25 mètres environ
LAL Orsay
CEA/DEN
BPM
6
Résultats de CALIFES (Wilfrid Farabolini)
Canon
Photo-canon (LAL):
• Taille transverse du faisceau:
• Energie en sortie de canon :
• Charge par paquet:
s = 2.9 à 3.2 mm
E = 5.7 MeV
Q = 0.25 nC/paquets (spéc: 0.6)
Fin de ligne:
• Taille transverse du faisceau:
s = 1.1 à 1.6 mm
• Energie maximale atteinte:
E = 143 MeV (spéc: 180 MeV).
- Améliorer la compression d’impulsion RF
- le beam loading se voit nettement.
• Emittance normalisée :
Dipôle
e = 43.6 mm.mrad (horiz.)
e = 68.6 mm.mrad (vert.)
(spéc. < 20 mm.mrad).
- Devrait s’améliorer en augmentant l’énergie et le spot laser
• Longueur de paquet :
sz = 1.42 ps (specif. 0.75 ps)
- Le pulse laser dure 6 ps
- la compression d’impulsion dans la 1ere structure LIL fonctionne
- On attend l’installation du déphaseur de puissance
7
Déphaseur de puissance CEA
Permet le réglage précis de la phase de la section de compression et donc de la
longueur des paquets
 Déphasage par variation de la longueur
Electric field
d’onde guidée et utilisation du mode TE01O
∆L
350 kg
1m
Champ E
Deux Convertisseurs
de mode
Cylindre 1
4 Brasages étagés à BODYCOTE (reste 1)
Transmission / pertes = -0.23 dB -> 95% de conversion
Reflexion < -30 dB sur 12 MHz de bande passante
Cylindre coulissant
Cylindre 2
 Brasage réussi au CERN
 Reprise mécanique
 Essai de nettoyage sans immersion en cours par
N. Rouviere et JP Prestel
 Test de translation et soudure soufflet à venir
Banc de test 12 GHz au CERN
Permet de tester les structures accélératrices indépendamment de CTF3 et à une
fréquence de répétition plus élevée (50 à 100 Hz au lieu de 5 Hz) afin d’obtenir une
statistique de taux de claquages plus rapidement
Contribution
CEA Saclay
9
Modulateur haute tension
Développement d’un
modulateur état solide par
SCANDINOVA
(1.8 x 3 x 2 m3)
Specification :
Tension = 450 kV
Courant = 335 A
Largeur du plat d’impulsion = 1.5 µs
Largeur à mi-hauteur= 2.3 µs
Fréquence de répétition = 50 Hz
Ondulation haute tension= ± 0.25 %
Stabilité pulse à pulse= ± 0.1 %
L1
L2
L3
ALIMENTATION
CONTINUE
1000VDC
COMMUTATEUR
ETAT SOLIDE
1000V
TRANSFORMATEUR
D’IMPULSION
KLYSTRON
450kV
10
Klystron XL5 SLAC
Développement d’un nouveau klystron
12 GHz par le SLAC, basé sur le model
existant à 11.4 GHz
Specification :
Fréquence = 11.9942 GHz
Puissance de sortie = 50 MW
Rendement d’intéraction = 40 %
Gain = 50 dB
Pervéance = 1.2 µA/V1.5
Tension cathode = 405 kV
Courant cathode = 308 A
Puissance focalisateur = 30 kW
4 cavités couplées en sortie
2 convertisseurs de mode
1 fenêtre fonctionnant sur le mode circulaire TE01
4 pompes ioniques dont une à la haute tension
11
Utilisation du mode circulaire TE01
Rs  2
k2 
 kc  2  Pour guides d’onde circulaires de rayon a (m)
 c (dB / m)  8.686
ak 
p'01 1 
 c (dB / m)  8.686


Rs
2
3 2
2
b


a
k Pour guides d’onde rect. de dimensions a x b (m²)
3
a bk
With Rs the surface resistance, p’01=3.832 the first root of J’0 which is the derivative of the Bessel function of first
kind J0,  the propagation constant, k the wavenumber, kc the cut-off wavenumber and  = 376.7 ohm the
impedance of free-space.
12
(“Microwave Engineering”, D.M. Pozar, p.125 and 136):
Vanne RF et convertisseur de mode CEA
Conception et fabrication en
collaboration CEA/CERN de
composants RF de puissance
spécifique
Specifications :
Fréquence = 11.994 GHz
Puissance = 100 MW
Largeur d’impulsion = 300 ns
Fréquence de répétition = 50 Hz
13
Implantation du banc de test 12 GHz
Charge RF de puissance pour la ligne TBL
Specifications :
Transmission vers le
pick-up = -49.1 dB
Fréquence = 11.994 GHz
Puissance = 80 MW
Largeur d’impulsion = 300 ns
Fréquence de répétition = 5 Hz
Mag E – log scale @ 11.9942
GHz for 1W in ¼ structure
Développement
d’une
charge
compact
instrumenté CEA basé sur un design CERN
Reflection = -44.8 dB
Utilisation de l’inox magnétique 430
- Perméabilité relative µr = 800
- Conductivité électrique = 1.66e6 S/m
Usinage dans la masse de demi-corps et soudure par
faisceau d’électron
15
Wakefield Monitor pour Structure Accélératrice 12 GHz
Le Wakefield monitor (WFM) est un détecteur de position du faisceau intégré à la structure
accélératrice utilisé en fonctionnement pour l’alignement des structures à 5 µm par rapport
au faisceau
Permet de réduit fortement le grossissement d’emittance
ey et d’atteindre la luminosité nominale
Participation du CEA - Phase 1: Design et fabrication d’un WFM prototype, intégration
dans une structure 12 GHz CERN et test avec faisceau CALIFES
• Calculs GDFIDL sur cluster LXCLIC du CERN
• 360e6 mailles – 13 heures de calcul par run
Y+
Amplitude des signaux recombinés pour
un offset faisceau de 1 mm (Volts)
U0
X-
U1
X=X+-XX+
U1  f   T ( f ) U 0 ( f )
Donné par HFSS
Y=Y+-Y-
Y-
Donné par Gdfidl
Temps (s)
16
Linéarité et spectre en fréquence du WFM
Amplitude max. du signal recombiné (volt)
40
30
20
y = 33.092x + 0.1028
10
0
-1.5
-1
-0.5
0
-10
0.5
1
1.5
Offset dx (mm)
-20
-30
Recombined port
signal amplitude
14.7 GHz
-40
16.76 GHz
F (Hz)
17
Wakefield Monitors pour Structures Accélératrices 12 GHz
Participation du CEA - Phase 2: Fabrication de 2 ou 3 structures equipées d’un WFM et
test sur le TBTS avec RF provenant des PETS et avec faisceau CALIFES
L’objectif est aussi de tendre vers le gradient nominal de 100 MV/m avec faisceau
- Usinage diamant à ±1.2 µm et rugosité Ra = 0.025
- Montage en salle blanche
- Assemblage par diffusion sous H2 à 1030°C
- Dégazage sous vide à 650°C pendant 72h
Disque
Quantité: 24 par
structures
WFM
Quantité: 4 par structures
Qualification de deux sociétés d’usinage en cours
18
Planning de CLIC et des activités CEA
CDR
CLIC
TDR
Projet CLIC
Approuvé ?
Premier
Faisceau ?
2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023
R&D sur les problèmes de faisabilité
Design conceptuel
R&D sur les problèmes de coût / perfo
Design technique
Industrialisation
Construction du Linac
Construction du Detecteur
ACTIVITES CEA
Califes
Banc de Test 12 GHz Cern
Structures Accélératrices 12 GHz + WFM
19
Extra-slides
20
Caractéristiques et spécifications de CALIFES




1 photo-injecteur
3 sections LIL : 1 pour la compression longitudinale
des paquets et deux pour l’accélération
1 systeme RF composé d’un klystron et d’un
compresseur d’impulsion RF de type BOC
1 ligne diagnostique faisceau
Parameters
Final linac e- energy
Emittance rms
Value
170 MeV
< 20 π mm.mrad
Energy spread (single bunch)
Energy / Phase deviation
(multi-bunch)
Number of bunches Nb
Bunch charge (single/ multi
bunch)
Initial/final bunch length
Transverse beam size
Bunch spacing
Train length
Train spacing (rep. rate)
< ± 2%
< ± 1% / < 10 ° at 12 GHz
1 – 32 - 226
0.6 nC / 6 nC/Nb
5.3 / 1.8 ps, 1.6 / 0.5 mm
0.6 mm x 0.6 mm
0.66 ns / 1.5 GHz
21 – 150 ns
5 Hz
21
Composants RF de puissance 12 GHz
BANC DE TEST
12 GHz
Specifications :
Fréquence = 11.994 GHz
Puissance = 80 à 100 MW
Vanne RF
Quantité: 2
Largeur d’impulsion = 300 ns
Convertisseur de
mode
~130 x 130 mm
Quantité: 6
Fréquence de répétition = 50 Hz
Design RF :
CEA
Design mécanique: CERN
Fabrication :
CEA / CERN
Guides coudés
90° plan E
Quantité: 16
LIGNE TBL
Nouvelle charge de puissance
instrumentée inox 430
Longueur : 65 cm
Quantité: 16
22
Compresseur d’impulsion RF SLED1 GYCOM
23
Améliorations laser
Globalement le laser a une très bonne disponibilité et est stable en énergie,
position, timing (merci a Nathalie, Marta et Massimo).
Possibles améliorations:
- Dérive journalière de la puissance (due a la température dans la salle
laser) : charge passe de 3.7 nC le matin a 2.8 nC le soir
- Energie sur la photocathode (conversion et transport) pour atteindre
0.5nC/bunch
- Durée minimal des pulses (specif. single bunch : 0.67 ns)
- Forme de la tache sur la photocathode
TIC meeting 23 sept. 09 -
24
Amplitude max. du signal (voltage)
40
y = 30.552x + 0.263
30
20
10
y = 4.9946x + 0.0077
TE
0
-1.5
-1
-0.5
0
-10
TM
0.5
1
offset
1.5
Linear (TM)
Linear (TE)
-20
-30
-40
25
26