Metodi di caratterizzazione e tuning di strutture RF acceleranti alle alte frequenze Candidata: Serena Persichelli Relatore: Prof. Luigi Palumbo Correlatori: Dr. Andrea Mostacci Dr. David Alesini ciao

Contesto: il progetto SPARC SPARC (Sorgente Pulsata Autoamplificata di Radiazione Coerente) è un acceleratore lineare per la generazione di fasci di elettroni ad alta brillanza in grado di innescare un meccanismi di auto amplificazione spontanea (SASE) per la produzione di radiazione laser di tipo FEL Banda X: progetto di strutture a 14.414 GHz per la correzione della distorsione introdotta durante l’accelerazione SPARC R&D Banda C: progetto e istallazione sulla linea di fascio di una sezione ad onda viaggiante a 5.712 GHz per aumentare l’energia di SPARC dai 180 MeV attuali ai 240 MeV

SPARC R&D banda C: stato dell’arte Per il 2012 è previsto un aumento di energia del fotoiniettore Una sezione accelerante in banda S (2.856 GHz) verrà sostituita da due sezioni ad onda viaggiante in banda C (5.712 GHz) di 1.4 m ciascuna Vantaggi della banda C: Elevato gradiente ed elevati campi acceleranti Lunghezze ridotte del LINAC Abbassamento dei costi Studio della recente tecnologia in banda C Banda S Banda S+C Energia 170 MeV 280 MeV Gradiente 20 MV/m 35 MV/m SPARC: Sorgente Pulsata Autoamplificata di Radiazione Coerente

Prototipo sezione accelerante in banda C Sezione ad onda viaggiante 22 celle + 2 accoppiatori Frequenza operativa  5.712 GHz Differenza di fase tra le celle  2π/3 Velocità di fase c Lunghezza  0.54 m De-tuning dovuto a processi di fabbricazione delle celle comporta: Differenza di fase tra celle diversa da 2π/3 Campi stazionari nella struttura Conseguenze sul LINAC: Perdita di sincronia con il fascio Abbassamento gradiente accelerante Riflessioni in ingresso tuners Vite tuner Singola cella Accoppiatore d’uscita D. Alesini, G. Campogiani, A. Mostacci, L. Palumbo, S. Persichelli, V. Spizzo, Design, fabrication and high power RF test of a C-band accelerating structure for feasibility study of the SPARC photo-injector energy upgrade, Proc. of IPAC 2011, San Sebastian, Spain, 2011.

SPARC R&D Banda X: stato dell’arte INFN-LNF è inserito all’interno di una collaborazione internazionale per valutare il massimo gradiente sostenibile in un acceleratore RF normal conducting con probabilità di breakdown estremamente bassa (BR<10-7 breakdown/pulse/meters) RF breakdown innescato da: Electron field emission Scariche dovute a gas residui o protoni in superficie Si manifesta con : Burst di corrente emessi lungo la beam pipe (~1 A) Produzione di raggi X dovuti alla corrente assorbita Produzione di luce visibile (durata ~μs) e onde acustiche Potenza trasmessa raggiungente livelli non rilevabili con costante di tempo 20-200 ns Oltre l’80% della potenza incidente viene assorbita dalla scarica (oltre 50 MW) Modello di Kilpatrick V. A. Dolgashev, S. G. Tantawi, Y. Higashi, and B. Spataro, Study of basic RF breakdown phenomena in high gradient vacuum structures, in Proc. of Linac 2010, Tsukuba, Japan, 2010

Prototipo di cavità triple-choke ad alti campi in banda X Cavità standing wave triple-choke in banda X: 3 celle f=14.424 GHz Campo E nella cella centrale doppio che nelle laterali Solo la cella centrale è stata progettata per simulare elevati campi elettrici: @ 10 MW Epeak=327MV/m Gradienti acceleranti: 100 MV/m Le celle laterali accoppiano potenza dalla guida circolare e bilanciano campo elettrico 2 strutture triple-choke sono state costruite presso INFN Frascati Sono state sottoposte processi di Electron Beam Welding (100-200°C) Tutti gli esperimenti in potenza sono stati condotti a SLAC Gli esperimenti hanno lo scopo di verificare la riproducibilità del breakdown al variare di: Geometria delle iridi Grado di purezza del rame Trattamenti termici CHOKE Il design interno delle celle ha lo scopo di ridurre i campi elettrici e magnetici vicino alle giunture Come risultato dei test in potenza si ottiene un valore di breakdown rate Il collisore CLIC è stato progettato per avere BR<10-7 breakdown/pulse/meters A. D. Yeremian, V. A. Dolgashev, and S. G. Tantawi, Choke for standing wave structures and flanges, in Proc. of IPAC 2010, Kyoto, Japan, 2010.

Obiettivi della tesi Caratterizzazione di due cavità acceleranti ad onda stazionaria in banda X (14.414 GHz) realizzate per studi di breakdown a radiofrequenza Caratterizzazione di un prototipo di sezione accelerante ad onda viaggiante in banda C (5.712 GHz) progettato per l’aumento di energia dell’acceleratore SPARC Implementazione di un algoritmo per la sintonizzazione (tuning) di strutture acceleranti ad onda viaggiante Applicazione del metodo di tuning sul prototipo di sezione accelerante in banda C

Banco di misura dei campi nelle strutture con il metodo bead-pulling Per le misure a bassa potenza (parametri di scattering, profili di campo elettrico) abbiamo utilizzato un banco di misura comune per le strutture in banda X e il prototipo in banda C Agilent N5230A (10MHz ÷20GHz) HP 8753 E (30MHz ÷ 6 GHz) Banda X (onda stazionaria): Teoria della misura perturbativa risonante (metodo di Slater) Banda C (onda viaggiante): Teoria della misura perturbativa non risonante (metodo di Steele) PC GPIB-Ethernet Motore passo-passo VNA Agilent – HP VI LabVIEW

Caratterizzazione RF cavità triple-choke in banda X Per entrambe le strutture sono stati calcolati: Frequenze di risonanza dei tre modi Coefficiente di accoppiamento β delle antenne Fattore di qualità non caricato Q0 dei tre modi I tre modi risonanti hanno sfasamenti diversi del campo nella struttura Sono state sviluppate delle routine di fitting dei parametri S11 ed S12 per il calcolo dei valori dei parametri β e Q0 ed fres e relative incertezze. Il modello utilizzato è quello del coefficiente di riflessione alla singola risonanza, interpolando le seguenti equazioni: con

Confronto tra le due cavità triple-choke in banda X Per ognuno dei due prototipi in banda X sono stati misurati: Profili di campo dei tre modi risonanti Parametri di scattering (S11, S12, S22) per i tre modi risonanti Solo Il prototipo n° 2 soddisfa le specifiche relative ai profili del campo Entrambe le strutture soddisfano le specifiche in termini di parametri di scattering e fattori di risonanza

Caratterizzazione RF del prototipo in banda C Numero di punti 1601 Calibrazione 1-port IF bandwidth 300 Hz Frequency sweep 5.5-5.8 GHz Time sweep 25 ms VNA HP 8753E Oggetto perturbante Field flatness 26% INPUT PORT 50 Ω 56 cm -21 dB @ 5.710899 GHz 50 Ω

Modello di analisi del de-tuning di una cella In una struttura ad onda viaggiante composta da n celle accoppiate il campo nella cella n-esima sarà dato dalla somma dei contributi di un’onda diretta An e di un’onda riflessa Bn : Detto Γn coefficiente di riflessione locale visto dalla porta n-esima si ha il seguente sistema: Ipotesi : Le riflessioni ad una generica porta sono date da: Con Frequenza nominale Detuno della cavità Frequenza di risonanza della cavità Ogni cella della sezione è considerata una singola cavità risonate con fattore di qualità (unloaded) Q’0~100 Per le strutture TW progettate in accoppiamento critico valgono le seguenti approssimazioni: Coefficiente di riflessione puramente immaginario dipendente dal detuno J. Shi, A. Grudiev, A. Olyunin, Tuning of CLIC accelerating structure prototypes at CERN, tech. rep., CERN, Geneva,2010

Procedura di tuning di strutture acceleranti TW Misura della temperatura e calcolo della frequenza operativa Misura dei profili di campo elettrico (An e Bn) con il metodo bead-pulling La routine di tuning prende in ingresso i dati della misura bead-pull e fornisce n valori dei massimi del modulo del campo e rispettive fasi L’algoritmo calcola: n valori dei coefficienti di riflessione locale la correzione ΔΓglobal da fornire alla cella n-esima Definire il verso di avvitamento dei tuners (push/pull) a seconda del segno di Γlocal : (Aumenta la frequenza di risonanza della cella) (Diminuisce la frequenza di risonanza della cella) Sintonizzare le celle fornendo manualmente con i tuners la correzione data dall’algoritmo, monitorando il grafico polare dell ΔΓglobal sul VNA Ripetere iterativamente i passaggi precedenti fintanto che si verifica la condizione

Test algoritmo di tuning di una struttura simulata HFSS Per la sintonizzazione della sezione in banda C è stato scritto un algoritmo MATLAB che è stato testato inizialmente su di una struttura a 8 celle virtuale simulata con HFSS CASO IDEALE A causa delle approssimazioni fatte l’algoritmo non è affidabile sulle celle 1 e 2 ed N-1 e N CASO REALISTICO Si è introdotto un detuno sulla quinta cella modificandone la geometria interna

Coefficienti di riflessione pre-post tuning PRE-TUNING: S11=-21 dB POST-TUNING: S11=-35 dB

Profili di campo pre-post tuning PRE-TUNING Field flatness 26.2% Avanzamento medio di fase Δφ= -121.093° Scostamento medio frequenza nominale Δf=-1.9 MHz POST-TUNING Field flatness 18.2% Avanzamento medio di fase Δφ= -119.647° Scostamento medio frequenza nominale Δf=-0.01 MHz

Avanzamento di fase pre-post tuning Il tuning ha migliorato la qualità del campo accelerante: La potenza riflessa è solo l’1% degli iniziali -21 dB Struttura accelerante più efficiente per il miglioramento dell’8% di field flatness Il tuning ha migliorato l’avanzamento di fase tra celle che garantisce massimo guadagno e sincronia con il fascio: I residui di campo stazionario non interferiscono con il fascio di particelle, che essenzialmente percepisce solo il campo ad onda viaggiante

Conclusioni e sviluppi futuri E’ stata effettuata la caratterizzazione RF delle due cavità ad onda stazionaria triple-choke in banda X per studi di breakdown Le strutture sono state inviate presso i laboratori SLAC per i test in potenza nell’ambito della collaborazione internazionale E’ stata effettuata la caratterizzazione RF della sezione accelerante ad onda viaggiante in banda C per l’upgrade energetico dell’acceleratore SPARC E’ stata elaborata una procedura di tuning per strutture ad onda viaggiante, implementata da un algoritmo MATLAB E’ stato elaborato un metodo per la correzione dell’accoppiatore d’uscita E’ stato effettuato con successo il tuning della sezione in banda C Sono state studiate varie possibilità per ridurre le approssimazioni dell’algoritmo usato

Correzione dell’errore sull’accoppiatore d’uscita Consideriamo la cella N (accoppiatore di uscita) e la N-1 (cella 23) come un’unica cella N’ Si considerano i valori di onda riflessa B’ nelle 6 celle precedenti la cella N-1, riportati indietro alle cella N-1 moltiplicandoli per un fattore di fase positivo (i=N-1,….,N-7): Si calcola il valore medio BN’ e si imposta il seguente sistema: Si divide BN’ per l’onda diretta AN-1 per ottenere il coefficiente di riflessione locale delle celle N ed N-1 Operando le seguenti sostituzioni ed Si controlla il miglioramento in termini di field flatness BN-6 BN-6 e-jφ