Upload
ess-bilbao
View
484
Download
0
Tags:
Embed Size (px)
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