CLIC: CALIFES et nouvelles activités RF en bande X

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

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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

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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

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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

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Implantation de CALIFES dans CTF3

Longueur totale = 25 mètres environ

LAL OrsayLAL Orsay CEA/DENCEA/DEN

Profileur de Profileur de faisceaufaisceau

BPMBPM

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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 ?

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Extra-slides

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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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