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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 - PowerPoint PPT Presentation
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CLIC: CALIFES et nouvelles CLIC: CALIFES et nouvelles activités RF en bande Xactivités 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
• PlanningROSCOFF 12 Octobre 2009 F. Peauger
2
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
Concepts clefs du collisionneur lineaire e+e- CLIC
Energie nominale = 3 TeV dans le centre de masse
Luminosité = 6 . 1034 cm-2 s-1
3
Schéma général de CLIC
Version 3 TeV = 48.3 Version 3 TeV = 48.3 kmkm
Version 500 GeV = 13 Version 500 GeV = 13 kmkm
4
Structures acceleratrices
+100 MV/m, 64 MW, 229 mm
PETS-6.5 MV/m, 136 MW, 213 mm Drive Beam
100AMain Beam 1A
Module CLIC à deux faisceaux
Longueur du module = 2 m, quantité = 10462 à 3 Longueur du module = 2 m, quantité = 10462 à 3 TeVTeV
5
DRIVE BEAM LINAC
CLEXCLIC Experimental Area
DELAY LOOP
COMBINERRING
10 m
4 A – 1.2 s150 Mev
32 A – 140 ns150 Mev
FAISCEAU SONDE CALIFES
0.9 A – 21 ns – 170 MeV
Two Beam Test Stand
CTF3 et participation CEA
BANC DE TEST 12 GHz
STRUCTURE ACCELERATRICE
WAKEFIELD MONITOR 12 GHZ
CHARGES RF 12 GHz pour TBL
6
Implantation de CALIFES dans CTF3
Longueur totale = 25 mètres environ
LAL OrsayLAL Orsay CEA/DENCEA/DEN
Profileur de Profileur de faisceaufaisceau
BPMBPM
7
Photo-canon (LAL):Photo-canon (LAL):•Taille transverse du faisceau: = 2.9 à 3.2 mm•Energie en sortie de canon : E = 5.7 MeV•Charge par paquet: Q = 0.25 nC/paquets (spéc: 0.6)
Fin de ligne:Fin de ligne:•Taille transverse du faisceau: = 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 : = 43.6 mm.mrad (horiz.)
= 68.6 mm.mrad (vert.) (spéc. < 20 mm.mrad).
- Devrait s’améliorer en augmentant l’énergie et le spot laser
•Longueur de paquet : z = 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
Résultats de CALIFES (Wilfrid Farabolini)
Dipôle
Canon
Déphasage par variation de la longueur d’onde guidée et utilisation du mode TE01
O
∆Lz axis
Ele
ctr
ic f
ield
∆Φ
∆ΦChamp EChamp E
Déphaseur de puissance CEAPermet le réglage précis de la phase de la section de compression et
donc de la longueur des paquets
Deux Deux Convertisseurs de Convertisseurs de
modemode
4 Brasages étagés à BODYCOTE (reste 1) 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
Cylindre 1Cylindre 1Cylindre 2Cylindre 2
Cylindre Cylindre coulissantcoulissant
1 m350 kg
Transmission / pertes = -0.23 dB -> 95% de conversionReflexion < -30 dB sur 12 MHz de bande passante
9
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
10
Modulateur haute tension
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 %
(1.8 x 3 x 2 m3)
ALIMENTATIONCONTINUE
TRANSFORMATEUR D’IMPULSION
COMMUTATEURETAT SOLIDE
KLYSTRONL1L2L3
1000VDC 1000V 450kV
Développement d’un modulateur état solide par
SCANDINOVA
11
Klystron XL5 SLAC
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
Développement d’un nouveau klystron 12 GHz par le SLAC, basé sur le model existant à 11.4 GHz
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
12
1'
8.686)/(201
22
p
kk
ka
RsmdB cc
2323
28.686)/( kabkba
RsmdBc
Pour guides d’onde circulaires de rayon a (m)
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.
Pour guides d’onde rect. de dimensions a x b (m²)
(“Microwave Engineering”, D.M. Pozar, p.125 and 136):
Utilisation du mode circulaire TE01
13
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
Implantation du banc de test 12 GHz
15
Transmission vers le pick-up = -49.1 dB
Mag E – log scale @ 11.9942 GHz for 1W in ¼ structure
Reflection = -44.8 dB
Charge RF de puissance pour la ligne TBL
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
Specifications :
Fréquence = 11.994 GHz
Puissance = 80 MW
Largeur d’impulsion = 300 ns
Fréquence de répétition = 5 Hz
Développement d’une charge compact instrumenté CEA basé sur un design CERN
Wakefield Monitor pour Structure Accélératrice 12 GHz
Participation du CEA - Phase 1: Design et fabrication d’un WFM prototype, intégration dans une structure 12 GHz CERN et test avec faisceau CALIFES
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 y et d’atteindre la luminosité
nominale
• Calculs GDFIDL sur cluster LXCLIC du CERN• 360e6 mailles – 13 heures de calcul par run
16
X=X+-X-
Y=Y+-Y-X+
Y+
X-
Y-
Temps (s)
Amplitude des signaux recombinés pour un offset faisceau de 1 mm (Volts)
)()( 01 fUfTfU
U0U1
Donné par Gdfidl
Donné par HFSS
1717
14.7 GHz 16.76 GHz
Recombined port signal amplitude
F (Hz)
Amplitude max. du signal recombiné (volt)
Offset x (mm)
Linéarité et spectre en fréquence du WFM
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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
Wakefield Monitors pour Structures Accélératrices 12 GHz
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 72hDisque Quantité: 24 par structures
WFM Quantité: 4 par structures
Qualification de deux sociétés d’usinage en
cours
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Planning de CLIC et des activités CEA
CLIC 2007 2008 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023
R&D sur les problèmes de faisabilitéDesign conceptuelR&D sur les problèmes de coût / perfoDesign techniqueIndustrialisationConstruction du Linac Construction du Detecteur
ACTIVITES CEACalifesBanc de Test 12 GHz CernStructures Accélératrices 12 GHz + WFM
2009
CDR TDRProjet CLIC Approuvé ?
Premier Faisceau ?
20
Extra-slides
21
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
Caractéristiques et spécifications de CALIFES
Parameters Value Final linac e- energy 170 MeV
Emittance rms < 20 π mm.mrad
Energy spread (single bunch) < ± 2% Energy / Phase deviation (multi-bunch)
< ± 1% / < 10 ° at 12 GHz
Number of bunches Nb 1 – 32 - 226 Bunch charge (single/ multi bunch)
0.6 nC / 6 nC/Nb
Initial/final bunch length 5.3 / 1.8 ps, 1.6 / 0.5 mm Transverse beam size 0.6 mm x 0.6 mm Bunch spacing 0.66 ns / 1.5 GHz Train length 21 – 150 ns Train spacing (rep. rate) 5 Hz
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Composants RF de puissance 12 GHz
Convertisseur de mode~130 x 130 mmQuantité: 6
Vanne RFQuantité: 2
Nouvelle charge de puissance instrumentée inox 430Longueur : 65 cmQuantité: 16
Guides coudés 90° plan EQuantité: 16
Specifications :
Fréquence = 11.994 GHz
Puissance = 80 à 100 MW
Largeur d’impulsion = 300 ns
Fréquence de répétition = 50 Hz
Design RF : CEA
Design mécanique:
CERN
Fabrication : CEA /
CERN
LIGNE TBL
BANC DE TEST 12 GHz
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Compresseur d’impulsion RF SLED1 GYCOM
TIC meeting 23 sept. 09 - Wilfrid Farabolini
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Améliorations laserGlobalement 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
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Amplitude max. du signal (voltage)
offset
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