ESS-Bilbao Initiative Workshop. High duty cycle RF Power Couplers

Preview:

DESCRIPTION

High duty cycle RF Power Couplers. Sergey Belomestnykh (Cornell University)

Citation preview

����������� �

��������������

��������� �������������� ����������� ���

���������������������������������������������������������������������������� ����!�"���!�������#$!�%&&'��

����������� ������� ������ �������������� ������� ������ ���

������������ ��������������� ���

���������������� ����������� ����������������� ����������� �

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%�������

Introduction

� �����������&���"'� ��%�� &����������"��������������!� $��� ��!������ �!�� ����� &�� ������������"�'��!"�"���

� ( ���$�� �&��% ������� ���"'�� $��� &�� ���������)*������"�� %���������������!���������������

� +����"������ %"��!��"����&� � ��������

� (�$��� &����������"���������������� � ��������������"!�"�������������"�'���%���� "�"��������"�������!"�% ���� "�������������

� ,� ��"� ���������"�� %� %"�� ����"��� ���� �-"��"�'���"'�� �& �"'� ��%�� �� ��%�� �������� ��� � ��������%"�� �� ������"��� ����"��$"�"���� �������"�����������������

� �����-���������&�� ���"��"���������������"�'��!"�"��$��������"'�����$��������&�� ����������������

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� .

Talk outline

� ,�������������

� ,�������������&����"������/�"�������������������'��

� 0"����&�)*�����������������������"'�

� 1-�������2��-���"������++�#,,,34�10�)�������1�0�"�5������+�, +(63717�� 6 �)(�1#�,88,�9 �����:

� ������

� � ���������

� 6����&���� ���������

� 0"����&�� ��������������

� 1-�������2��-���"������$������$���$���$���;�������'�����%�!�'�"���2����"����"�������������������������

� ������

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� <

����������� ������� ������������ �������������� ������� ������������ ���

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� =

� ���"����������������������"!��"��������������"�'����%��������"'��������&&"�"�����������&��������%���&������������������$���#���������!"���������"�'�������>�?�����"�"����

� ���������������������'��#&"�����������"��"����"����&����>�?���!"���������&����������"�'���!"�"��;������&���������"�������������#������������!������$���"����9���%"���%�:�

Primary functions

Generator Transmission line Coupler Cavity Beam

Pforw

Prefl

Pbeam

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� @

Other requirements/challenges

� �����$������%#����#������������������"�"���$��%���������������������������!"������������"���������������'��"��������������9�7����<�=�7:���!"��������"��"������������������→→→→ "�����������

����&��������������������"�������������3������"!������"�'�

� ���������&�����������������������������$������������������"�"�"A���"����&�������"���"�'�����������������"�'���!"���→→→→��"�'������%"���%�"����!"��$���&����"'�#&"��������"���"�����(��

�������"�������������/�"�����%#��#������������������"�'�&"��������"�'��#%"���%�"�������������%������������5�$�9����� 6 :�

� �������"�"�"A����!"���&"����������$��"��������������&&����$���������!"������&��������→→→→ ���$���������������������"�'����$�������

+�"��"��������������"����������&������������"����������

� 8��!"���9"�����������������"������������:������5����$��������"�'�&����"&&������������"�'�������→→→→ ����$���������������$��

�����#���$��������"�������������� 6 ��-���"������&"-��������"�'�"�����/�����

� ������$�����"'�������"�'�"��������"�����"�������"����"�'��"����������$������"������#&����������!"�����������������$"���!����'������������"�"'��"�'����������

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� �

Coupler options

*�!�'�"�� )��-"��

� "���������"'�

� 0�%������������

� 0�%������&����������"��&"���

� 1��"�����������$����"'���������������"��"��

� ������������

� ����������������

� 1��"�����������!��"�$��

� 1��"�����������������"����"�'

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� B

Coupler port location

)�����������������"��������

���������������

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� �

CW couplers

���"�"��3�8��5���

���/����� )����������� ���%"���% ��-� ��-��)*���%��

)�������

LEP2 / SOLEIL 352 MHz Coax fixed Cylindrical 2�106 Test: 565 kW380 kW

Operation: 150 kW

Traveling wave@ ΓΓΓΓ=0.6

LHC 400 MHz Coax variable (60 mm stroke)

Cylindrical 2�104 to 3.5�105

Test: 500 kW300 kW

Traveling waveStanding wave

HERA 500 MHz Coax fixed Cylindrical 1.3�105 Test: 300 kWOperation: 65 kW

Traveling wave

CESR (Beam test)

500 MHz WG fixed WG, 3 disks 2�105 Test: 250 kW125 kW

Operation: 155 kW

Traveling waveStanding waveBeam test

CESR / 3rd

generation light sources

500 MHz WG fixed WG disk 2�105 Test: 450 kWOperation: 300 kW

360 kW

Traveling wave

Forward power

TRISTAN / KEKB / BEPC-II

509 MHz Coax fixed Disk, coax 7�104 Test: 800 kW300 kW

Operation: 400 kW

Traveling waveStanding wave

APT 700 MHz Coax variable (�5 mm stroke)

Disk, coax 2�105 to 6�105

Test: 1 MW850 kW

Traveling waveStanding wave

Cornell ERL injector / ERL cryomodule collab.

1300 MHz Coax variable (>15 mm stroke)

Cylindrical (cold and warm)

9�104 to 8�105

Test: 61 kW Traveling wave

JLAB FEL 1500 MHz WG fixed WG planar 2�106 Test: 50 kWOperation: 35 kW

Very low ∆∆∆∆T

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� ��

Pulsed couplers

���"�"��3�8��5���

���/����� )����������� ���%"���% ��-� ��-���������%��

8��������'�����������������

CARE-HIPPI 704 MHz Coax fixed Disk, coax - Test: 1 MW 2.0 msec, 50 Hz

SNS 805 MHz Coax fixed Disk, coax 7�105 Test: 2 MWOperation: 550 kW

1.3 msec, 60 Hz1.3 msec, 60 Hz

J-PARC 972 MHz Coax fixed Disk, coax 5�105 Test: 2.2 MW370 kW

0.6 msec, 25 Hz3.0 msec, 25 Hz

FLASH 1300 MHz Coax variable (FNAL)

Conical (cold), WG planar (warm)

1�106 to 1�107

Test: 250 kWOperation: 250 kW

1.3 msec, 10 Hz800 usec, 10 Hz

FLASH 1300 MHz Coax variable (TTF-II)

Cylindrical (cold), WG planar (warm)

1�106 to 1�107

Test: 1 MW*Operation: 250 kW

1.3 msec, 2 Hz1.3 msec, 10 Hz

FLASH / XFEL / ILC

1300 MHz Coax variable (TTF-III)

Cylindrical (cold and warm)

1�106 to 1�107

Test: 1 MWOperation: 250 kW

1.3 msec, 2 Hz1.3 msec, 10 Hz

KEK STF 1300 MHz Coax fixed (baseline ILC)

Disks, coax (cold and warm)

2�106 Test: 1.9 MW1 MW

10 usec, 5 Hz1.5 msec, 5 Hz

KEK STF 1300 MHz Coax fixed (capacitively coupled)

Disk (cold), cylindrical (warm)

2×106 Test: 2 MW1 MW

1.5 msec, 3 Hz1.5 msec, 5 Hz

(��������"������������������%��������������������%"����������%�������$"�"����&�������C���*�

�����!���'����%����&�D=���*

*) one pair of couplers was tested to 2 MW, 1.3 msec, 2 Hz

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� ��

TTF-III / XFEL coupler� (�E�����"�F��-�������&������-"�����������&����"'�����������"�'�'���"����9D���?3�:�����"���"�����0( �34�103,0)

� +%�����"���"��������"���%"���%���%������������

� )����%"���%��"�������$�����������!"������"�'�"����������������������

� �����������*�9��.������A:����������������

� +��"�����������������=���*�9��.��������A:

�>+�

� 0"�"�����!���'����%��������"�'�G@��*

� +%�#%"���%����"'��������5����$��������"�'�����������&�����"�'��-����"!�

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� �

Cornell ERL injector input coupler

Compress Air Inletfor Bellows CoolingCompress

Air Inletfor Window Cooling

Air Outlets

300 K Intercept

80 K Intercepts

5 K Intercept

H��"'��&��������

� H��"'�����"!���&��������++�#,,,���������%"���"����!����������������������������"'���!���'�������%����&��=��*

� +�������������%�������������������"'������"�'���@�����@�� ������-"����"���&��������'��������"�'�$��������%��������"�'������!�"�"�'�����"����"�'

� (��������"��%��������'��������������&��������'��������"�'

� E)���F�%"���%�%��������'�����������"A���&�E%���F�%"���%

� ���������������$����%�����"'��%���"����!���&���$����������"�'�9�����������"���������:

� ("������"�'��&�����%����"���������������$����%��%��������

� 8������"���������������������@���*�)*���!������������������

� +�"������������������$���$������

��������������������"'���������%������++�#,,,��������������*

,��%�#%"���%����"'��"�������������������

(6H������"������&�����&"����

�����$���"�����������

+�"����������%"����������5�$�

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� �.

TRISTAN / KEKB coupler

Water cooled inner conductor, electropolished copper

Alumina (99.5%) coaxial disk window, coated with 100 Å of TiNxO1-x , air cooled outside

Biased doorknob (�2 kV)

Copper plated SS,4 K He gas cooling at 8 l/min

� ����������������'#�����������"����&�.� )���!"������������"��+�, +(6�9������"�'�&��/�������&�=�����A:

� =�� ������-"����"��

� �"-��������"�'�I���-�J��××××��<

� ,����!������"���"�'�����"�'������������������������%"���%

� ���������%������"!��������$�����<����*

� >�������717�����$���!"�"��������18)#,,������������

� +�"��!�����������&������-"��������������"'��%�����������&���������&��/����"��������������������"���9�-�������&����%:

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� �<

SNS coupler

H��"!���&����717�����"'�

8�����������"&"���"����==���*�����<B��*��!���'�

8��&���������+��������������*��������%������������������ !���=����*��������%���"���������!"���������"��

�"'�����!���'����%���&���������'�����2���������$���������"������@���A�������/�"������"�"���������"�'

Helium-cooled Outer Conductor

Inner Conductor

Ceramic Window

Door knobTransition

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� �=

SNS couplers: operational experience

0

50

100

150

200

250

300

350

400

01a

01c

02b

03a

03c

04b

05a

05c

06b

07a

07c

08b

09a

09c

10b

11a

11c

12b

12d

13b

13d

14b

14d

15b

15d

16b

16d

17b

17d

18b

18d

19b

19d

20b

20d

21b

21d

22b

22d

23b

23d

Cavity number

Forw

ard

Po

wer

(kW

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Eac

c (M

V/m

)

Cav_Fw d_pow er

Eacc

CM19 Removed for HOM coupler repair

10b; disabled (noisy filed probe signal)11b; disabled

(large fundamental mode coupling thru HOM coupler)

� )�!"��#��������"�������"��( 1�����������������������&�������!��"�'�%�!�( ���"��"�����"�����������������"��( )�������������"����"�'

� )������������'��'��9"����������������������������%"���%:( ����"�'�����%���#���%"��������"���"'����( ���������#����"&&"�����$�&������%�����������%����"����������

( ��!"�'���%�����"��������"�'����������������$���"'����

� )���������������������������"�'��"���"�( H"&&"�������5���������&����"���&��%�����������'"�'��!���'����%��( )����#"�������"����$��%������!"�"���"��������������

� ����"����"�'�9�8:�"���8)��( (������$������%���"��"�����������������"����"�'��������"�������8)�"����!�������!"�"���"���$���!��( H)�$"��"�'�%"���������������������8��

� ����%"��������8)������%���"�'�&"�������!������$����

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� �@

CARE-HIPPI coupler

� ��<���A�&�������������%�����������"����!���������� ������"��

����&����%�����&�����)(�1#�,88,����'���

� +�����������"�����"'�������������"��

�����%����&����*������K ������������9����=���A:

� +������"'��"���"�"�������717������

6 �%"������-"����"���%"���%��������=�� ������-"����"�������*���=��%�!�'�"��

� ,��������������������������*��������=���A�9����*��!���'�:��"�"����$��������������

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� ��

CARE-HIPPI coupler (2)���������������������������������� )����"���"���%"���%�%"������

"���'�������������

H�������$��%"�����������

(����$������������

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� �B

CARE-HIPPI coupler (3)

8�%�������"�"��"�'

+���������������$���"����������������

2 ms, 50 Hz pulse

+��������������������������*���������

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� ��

Input couplers summary

�*�"����% ������� �������"�� ������ ���5�����������

����������"�' ��/�"����������� �����& 6 ����

���%"��"������ �&+�, +(63 6 �������������

� ��< ��A)1(�#�,88,������� ��!�������� ��������

��������������"�� '����-������

�,�������$������"!�������"'��&��%����������3���"&�

��"����"'�������������������

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� �

�������� ����������� ���

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� �

Need for HOM dampers

� 1-����������%��������������������� )���!"�"�������������"!��"������&"����

����������������"����%����%������"�����"'���#������������9� ��:�

� +��������"�"��"�������"����&���$����%"���� ����������������"�"�����

����'��"��������-�"�������"#$�����"����$"�"�"���9���'"���"��������

�����!�����"�������'���"�'����>�"���"���������1�0�:�����������"�������

'��%�������$����#��#$���������'���������

� H�����"�'����������������������"&&��������!�����&�����"�'�� �L��/���"���

&�������"����/�"�����&������M��. &��������'���"�'�������<M��= &��������

�"�����

� ,������������&� 6 �&����-�����������&���N� ��D���= ������"������������$���

�������$�$"�"����&�����������-�"���"���"��!������%�9����������"�������:�

� �������������"����������������������"�'�� ������N�J���<M��= �������$��

���/���������'������&����"�����"�����������$�����&������������&"�����"��

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%�������

HOM damper types

� �������������'"�������"����&�!"�%����� ���������"������"�'���������������3�"���%�!���$���$���

������������&���������"��"����"������������������ )���!"���!"���"���������������������������"�'��"���"��

����"��"�'��&�����������������

� +������������"'�����"�'��"&&������������"��"����"���3�����"�'��"���"����$�����"���� ���$���$����

9$�����"���J��"�������%�!�'�"��:�������'�����%�!�'�"���� ��������������"����������-"����"���

� ��������������������� �������������������-"����"���

� *�!�'�"�������������!�������#�&&�&��/���������������&������������������&"����������5��������

&��������������&��/�������+�������������"���������������$�����$����

� +�����!"���$�����"���"������������&��"�"����������'��"����&�������%����&��/������� �����%��������

�$���$����+����$���$���"��������"����&�����$�����"���%"������������&��"���%�!���$���$"�'������"���

9&���"�����������"��:�

� )��-"����������"���"��������������"��+1��%�!���9������������#�&&:����������&����� ����������

$���������������"�������������"��������������5��������&���������������)��-"��������������������

�����������������������������

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� .

Beam pipe absorbers; KEKB�1(��8,81�� ��(� ��1�

� �"'"��������!����������)�����������

717�&���!�����"'���!���'����%���

�$�����"��

� *"����������"���"'�#�������������'��

�"�'��%���������������������������

����������������"�����������������

� (��"�!���N� � O���M��. "���"�'��#

�������!"�"��������'���"�'���!"�"��

� )���������!����������� �������

������"�'����B��7�&���1�0���!"�"���

%"����"��"���"�'������"����&�G���*

� 717�"���������!����"�'�$�����"���

� ��������&���1�0

� H1 P���!���������$�����"���

�$���$���&���4�10���������"�����

������ ����������

� H��������&���"��������������$�$���

����������&&"�"�����>+����"����"��

�"���!����'��&����"�����"������������

�����������������������'�����$����

�-"����������������������&"���&�����

717��� ���$���$���

� ����"���"��$�����������������������

����������"�'���"�'��,8��������

� ($���$�����&���"�����"'��������������

717�������18)#,,

� H��"'�������&���=��*��$�����"���

���������@��* "��������"��

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� <

Cornell beam pipe absorbers)1 ��� �������

� ����"����"��������������������%����#�������

1����"����������%�"���"�������������������

"��"��������"�����������������

� )1 �#������ ��������������������)1 ��

+0 �)0 �H"������ ��������60��#�������

&�����,)

� ($���$���������=����* "��������"��

1�0���!"���� �������

� >������$"���"����&��%���"&&������&���"��������

�����������"��������!���&��/���������'��D�<��

Q�A

� ����������B��7��������$����������'��

� H"��"���"�'������"����&�G���*

�60������������&�����,)��#������

)1 �#�������!"���$�����"�������������

)���"�'�)�������9Q��:

����'�����)�!"��

����'�����)�!"��

���($���$"�'�+"���

�"�����������%

)�������1�0���!"��

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� =

XFEL beam pipe absorber

� 6�����������!��������"'��&��/������������&�����

� ����������

� ($���$����%"���$��"���������$��%����B#��!"���

�����������

� =�<�*��&��"���%�!����%������������������"��

�"�'����"�'����"����������"����&�4�10

� )���$�������"��"���������������*

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� @

Rectangular waveguide HOM couplers

� >����"��)1�(������R0�$��10�� )��"����

� 6�%����"'�������$�"�'���!���������"���"������R�&&������0�$

� 8��������&���R0�$L��

(�����#�����������������9�<B�=���A:�����E�����(F������������9�<�����A:

� *�"����������!"���!�����&&"�"��������"�'�"��$�����&��/���������'���������L���������"�������&"���&������%�!�'�"�����"'�"&"������������"�����������!"�������

��������������"'�

)1�(���*Q��$���$��������7

(�����#������������������*Q��$���$��������+

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� �

Radial line HOM coupler

� 8�����������717�&���1�0�0#$�����"����

� H��"!���&���� �"�����L�������#��������!"����������������$��7����"�������

� )������!"���!�����&&"�"��������"�'�"��

$�����&��/���������'���������L���������"�������&"���&�������>+����"����"���������"�����������!"���������������������"'�������&"��������������������5����

&���������������

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� B

Loop HOM coupler

) (4,(0�0 8�� ��) >801�

� )���������&���"�������%�������������������!�������&����1�(�����018�"���"�#B�L�

� 018#��������������%������������������&��� 01,0�0�)����� ����#.�)���������������� 0 �����101++�(

� +1 0(�� ������������������"!���&�����1�(����������%"������"���"&"���������"'���������������������������"�'�������9N� � G���

=:

� 0������������&���������� 6 �9B�=���A:�����"��$�9.���Q�A:�������Q�?�)1�(����'�����9��=�Q�A:�����������������'��������%����������"&&"����"��

� H��������&���"���������!"��������'�����"�'�������������������"������������"'�

� +��"����"���"���!����'�"��&����������������5���"���&"������%�"��������$������&����������

� 6�!���������� 6 ��-���"�����"��"�������������������������������&&"�"����&������������"��������������"���"��

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� �

LEP/LHC couplers� 018���!"�"��������%��E����F���������������%��������������%���&"�����%"���

�"/�"�����"���&�������"�'

� +���������&"���������$����5�������&����"��������"��

� ,�����"�"������018��"�������������������0�)���!"�"�����!��$����$������������

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� .�

SOLEIL/Super-3HC couplers

� +%���������&�� ������������&����"�����������������������

� ������"'���������"�'�&�����������"��018����+1 0(���!"�"��

What the beam sees passing through the SOLEIL module

����#.�)������������%"���� ����������

01,0�� ���������

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� .�

TESLA HOM couplers

� "���"&"���!���"����&��1�(�� ���������������������"�'���/�"���

� 0����"�'�����"������"���!������"������"$���$��������&���'�"'"$�������������"�'�9�K ������&�����:

� ������&�����������������+1 0(#�������!"�"���"�������������

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� .

“Bumps in the road”� ����"��$������"����"�'�����'������ ��������������.���Q�A�

��!"�"���9�8�� �!������"�'�� &�������:�� �����"'���������"&���8�

��!�����$�!��������"�'�'���"����

� )*�������"���9��Q�?�)1�(����'����:������"�'��&��������������������$���������"�������'���"��&"�����&�����&����������������� �����"'�������"����!�����������!�����������������"�����&"����

�"�����

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� ..

SNS experience� +%����������������������!���&���������"���

� ������%������'�������"�'��&�����&����������������%������� ������������!���&��������'���$����#�&&�������������� ��������&��/�������+�"�����������������$����$����"�����!"���%"���'����

���&��������

� ������������������&�����.����������!"�'����������� ��&��������'��������!���&��������'���$����#�&&��������������*"���$��$����"�����!"��������

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� .<

SNS experience (2)

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� .=

Loop HOM coupler for RHIC 56 MHz SC cavity at BNL

� � �����������������������"�����"'����'���"��&"������'"����&� )���!"��

� ,&��������&����������!�����������������&���������

����������

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� .@

HOM dampers summary

�+��������������!�����"'���&� � ��������

�(�"������& 6 ���� � ��������������$��������

�� �-��� "�������� �'�"��� ���'"���"���"����$"�"�"��

������������������������&&"���

�*�"�� �����"�' ����$�������L����"'� �������$�

�%����&����"$��E$����"��������F�

�+� ��� ���%���'� ����� "� �� � � ������ ���"'�

��!������&�� �������������������

�+��&"���"���"������&�� ��% ����&����$����� ���"'��

���������"��&�� �2H�

������������ ��������������������������������� �����������!��!"���# �"�$���%������� .�

Acknowledgements

I would like to thankI would like to thank

��'#���7"��9 6 :

Q�"�������H�!��A�9 �����:

,�������#S!"�9�60:

who provided new information for this presentation who provided new information for this presentation and and

many others from whose papers/slidesmany others from whose papers/slidesI borrowed materialsI borrowed materials

Recommended