bosland

DAPNIA
Cryomodules à cavités
Supraconductrices
Pour machines à rayonnement
synchrotron
SOLEIL - Super-3HC
(SLS et ELETTRA)
P. Bosland – Journées accélérateur – oct2003
DAPNIA
Structure RF pour les machines à faisceau
d’électrons de forte intensité:
Cavités SOLEIL « monomode »
Mode fondamental
HOM monopolaire
HOM amortis par des coupleurs à boucle
supraconductrice placés entre les cellules
P. Bosland – Journées accélérateur – oct2003
Collaboration CEA – SOLEIL - CERN
DAPNIA
SOLEIL:
2 cryomodules à cavités
accélératrices Nb/Cu 352MHz
compenser la perte d’énergie par rayonnement
synchrotron du faisceau d’électrons: 650kW
→
4 cavités (2 cryomodules) munies de
coupleurs 200kW de type LEP
P. Bosland – Journées accélérateur – oct2003
SOLEIL
Études, réalisation, assemblage, et test du
1996-1999
cryomodule
SOLEIL
prototype
DAPNIA
APD SOLEIL
(collaboration avec le CERN)
Test du cryomodule prototype sur l’anneau
de l’ESRF
(collaboration avec l’ESRF)
En 2002
Modification du cryomodule prototype avant
son installation sur l’anneau SOLEIL début
2003 - 2004
2005 pour le commissioning
(Collaboration CEA – SOLEIL – CERN)
Cryomodule 2 SOLEIL
installation sur site: Août 2005
2003 - 2005
P. Bosland – Journées accélérateur – oct2003
SOLEIL
DAPNIA
Tests sur anneau ESRF
(5 périodes de 4 jours à 4.5K
en 2002)
Tests en puissance RF du
cryomodule complet au CERN
(fin 1999)
P. Bosland – Journées accélérateur – oct2003
SOLEIL
DAPNIA
Lors des tests à l’ESRF, le cryomodule SOLEIL a généré une tension RF crête
supérieure à 3 MV avec une puissance de 200kW par cavité, de façon stable, pendant
plusieurs heures, contribuant ainsi – avec les 4 MV produits par les cavités normales
de ESRF – à stocker un courant d’électrons de180 mA.
Ces performances sont amplement suffisantes pour la première année d’opération
de SOLEIL, en 2005 : courant maximum de 400 mA, durée de vie Touschek
supérieure à 30 heures.
Il a donc été décidé que le « commissioning » de SOLEIL serait réalisé avec ce seul
cryomodule prototype.
Quelques rénovations seront entreprises avant son installation sur la machine (ajout
d’un écran d’isolation thermique, modifications des coupleurs HOM dipolaires et de
leur refroidissement, de l’instrumentation).
P. Bosland – Journées accélérateur – oct2003
Super-3HC
DAPNIA
Cavités harmoniques supraconductrices et passives à
ELETTRA et SLS
2 cryomodules (une par machine) avec 2 cavités passives Nb/Cu à
1.5 GHz pour augmenter la durée de vie du faisceau d’électrons
Collaboration
CEA – PSI – Sincrotrone Trieste
CERN
Juin 1999 à Août2003
P. Bosland – Journées accélérateur – oct2003
Super-3HC
Augmentation de la durée de vie faisceau dominée par l’effet
Touschek
DAPNIA
Vnc (1.68 MV at 500 MHz)
Vsc (0.53 MV at 1.5 GHz)
Vnc+Vsc
1.2
Single RF system
1
1.00
double RF system
sdouble  3ssingle
0.8
0.50
I/Io
voltage (V)
1.50
0.00
-0.50
0.6
0.4
-1.00
0.2
-1.50
-180
-135
-90
-45
0
45
90
135
phase respect to the bunch center (deg)
180
0
-60
-40
-20
0
20
40
60
Phase (Deg.)
gradient voltage  0
Un système RF de 3ème harmonique (1.5 GHz) permet:
d’augmenter la taille des paquets d’e- → diminuer leur
densité de charge → d’augmenter la durée de vie faisceau
P. Bosland – Journées accélérateur – oct2003
Super-3HC
Spécifications
DAPNIA
Bunch lengthening mode:
Temperature :
4.4 to 4.5 K
Fundamental mode frequency :
F0=1498.95 MHz
Total max accelerating voltage:
V=1.0 MV
Tuning range:
DF=±500 kHz
Tuning resolution:
R  10 Hz
Q0 vertical tests at CERN:
> 2. 108 at 5MV/m and 4.5 K
Q0 cryomodule tests at Saclay:
> 2. 108 at 4MV/m and 4.4 K
Ql loaded:
> 1. 108 at 4MV/m and 4.4 K
Damping:
Longitudinal HOMs : fR.R  < 7.0 kW.GHz
Transverse HOMs : R < 130kW/mm
Parking mode at 300 K or 4.5 K: cavities tuned between 2 revolution harmonics
Max. cryomodule length: 1.1 m
P. Bosland – Journées accélérateur – oct2003
Super-3HC
DAPNIA
Optimisation de l’amortissement des HOMs
Alumina window
ZL
Capacitive
gap
Ct
Z3 , l3
Cr
Z2 , l2
Lr
Z1 , l1
Cf
load
Stub
diameter
Loop
geometry
Notch filter
Lf
Hz¤
I0
Distance to beam
axis
Optimisation de la géométrie des
coupleurs HOMs
Cavité modèle pour l’optimisation
de l’amortissement
P. Bosland – Journées accélérateur – oct2003
Super-3HC
DAPNIA
1 port pick-up par cavity
4 coupleurs pour
modes transverses
La structure RF
2 coupleurs pour modes
longitudinaux
1 coupleur de puissance incidente
par cavité pour les tests RF
P. Bosland – Journées accélérateur – oct2003
Super-3HC
DAPNIA
Cavités 1.5 GHz Nb/Cu fabriquées et
testées à 4K en cryostat vertical au CERN
Le dépôt Nb (1.5 µm) a été déposé par
magnétron sputtering à l’intérieur de la
cavité cuivre (technique CERN)
Q/109
1
Une cathode de petit diamètre a
été développée spécialement pour
la géométrie de cette cavité
Dummy_Up
Dummy_down
Specs
S3HC1_down
S3HC1_up
S3HC2_up.3A
S3HC2_down.3A
0.1
0.01
0
2
4
6
8
10
12
14
Eacc [MV/m]
P. Bosland – Journées accélérateur – oct2003
Super-3HC
DAPNIA
Le système d’accord est utilisé pour contrôler la tension
accélératrice (cavité passive) en ajustant la fréquence
de la cavité
1499.4
Moteur pas à pas
avec réducteur
frequency (MHz)
1499.3
Fixations sur le
tank He
1499.2
y = 1.72E-06x + 1.499E+03
1499.1
1499.0
1498.9
1498.8
ELETTRA cavity2
1498.7
ELETTRA cavity 1
1498.6
Linéaire (ELETTRA cavity 1)
1498.5
-2.5E+05 -2.0E+05 -1.5E+05 -1.0E+05 -5.0E+04 0.0E+00 5.0E+04 1.0E+05 1.5E+05 2.0E+05 2.5E+05
number of full steps
Linéarité de la fréquence versus le nbre de pas moteur
Le système d’accord fonctionne
sous vide à 4K




rigidité > 1000 kN/mm
rigidité avec tank He: 220 kN/mm (10x cavity)
amplitude maximale :  0.5 mm, ou ± 1.5 MHz
résolution théorique : 0.5 nm, or 1.7 Hz
P. Bosland – Journées accélérateur – oct2003
Super-3HC
DAPNIA
Assemblage du cryomodule à Saclay
En salle blanche de classe 100
Assemblage de la masse froide
P. Bosland – Journées accélérateur – oct2003
Super-3HC
DAPNIA
Cryomodule SLS
Cryomodule ELETTRA
P. Bosland – Journées accélérateur – oct2003
Super-3HC
DAPNIA
Cryomodule SLS
 installation en juin 2002
 début “warm operation” (200mA) juin 2002
 mise en froid 23-27 septembre 2002
(opération stable à 400 mA avec cavités froides)
 “cold operation” avec faisceau: 30 septembre 2002
Warm operation: courant limité à 200 mA: échauffement des cavités (avec vide d’isolation)
Cold operation: opération stable à 400 mA – obtention du maximum d’élongation
allongement paquets: x3 - durée de vie faisceau: x 2.2
Landau damping: suppression des instabilités longitudinales
mode utilisateurs en opération stable à 300 mA avec une tension réduite
P. Bosland – Journées accélérateur – oct2003
Super-3HC
 installation en août 2002
DAPNIA
Cryomodule ELETTRA
 début “warm operation” septembre 2002
(140mA at 2.4 GeV)
 mise en froid 9 janvier 2003
 fonctionnement stable à froid et 320 mA - 2.0 GeV
Warm operation: le mode à 2.0 GeV est interdit à cause d’interactions entre le mode fondamental des
cavités parquées et les raies du faisceau d’électrons
à 2.4 GeV - 140 mA les cavités peuvent être parquées transparentes au faisceau
Cold operation:
les cavités parquées n’influencent ni l’injection à 0.9 GeV, ni la rampe en énergie jusqu’à
2.0 ou 2.4 GeV
suppression de toutes les instabilités longitudinales (à 2.0 GeV - 320mA)
allongement paquets: 4 - durée de vie faisceau: x 3.5 (à 2.0 GeV)
période mars à juin: cavités parquées à cause de problèmes sur les systèmes d’accord
résolus durant shutdown de juin.
P. Bosland – Journées accélérateur – oct2003
DAPNIA
Conclusions:
Super-3HC = premières cavités harmoniques installées sur
des machines à rayonnement synchrotron
Les 2 machines ont gagné un facteur supérieur à 3 sur l’allongement des paquets, un
facteur supérieur à 2 sur la durée de vie faisceau (3.5 pour ELETTRA à 2.0 GeV).
De plus l’effet « Landau damping » permet de supprimer les instabilités longitudinales.
Aucune instabilité faisceau n’a été provoquée pas Super-3HC, en particulier sur
ELETTRA à l’injection à 0.9 GeV et pendant le ramping en énergie jusqu’à 2.0 ou 2.4
GeV (pas d’apparition d’HOM).
En opération à froid, les 2 cryomodules se révèlent très stables: pas d’échauffement
anormal, tension très stable, pression résiduelle très stable. Aucun interlock n’a été
provoqué par Super-3HC pendant la 1ère année de fonctionnement à SLS, ni pendant
les 5 premiers mois d’ELETTRA.
P. Bosland – Journées accélérateur – oct2003