Keine Angst vorKeine Angst vorKeine Angst vor Keine Angst vor hohen Frequenzenhohen Frequenzen
Markus HüningMarkus HüningMarkus HüningMarkus HüningSchichtgängerausbildung 2007Schichtgängerausbildung 2007
Üb bli kÜb bli kÜberblickÜberblick
FLASHFLASHBeschleunigungsmoduleBeschleunigungsmoduleBeschleunigungsmoduleBeschleunigungsmoduleÜberblick über unsere CavitiesÜberblick über unsere CavitiesDie HFDie HF EinkopplerEinkopplerDie HFDie HF--EinkopplerEinkopplerAllgemeines zur HFAllgemeines zur HF--ErzeugungErzeugungHFHF HPHP HV: Die HFHV: Die HF StationenStationenHFHF--HPHP--HV: Die HFHV: Die HF--StationenStationenLLRF: Kleine Pegel grosse WirkungLLRF: Kleine Pegel grosse WirkungBedienungBedienungBedienungBedienungBilderBilder
FLASHFLASHFLASHFLASH
0.13 GeV0.45 GeV1 GeV
0.005 GeV
6 Kryomodule mit je 8 Cavities zur Beschleunigung der ElektronenGesamtenergie bis zu1 GeV → 6.5nm FEL100x bessere Auflösung als mit sichtbarem LichtStrahlleistung 1MW (peak) bzw 10kW (avg)
I l b i M d lI l b i M d lInnenleben eines ModulsInnenleben eines Moduls
Number of cavities 8Cavity length 1.038 mOperating frequency 1.3 GHzR/Q 1036 ΩR/Q 1036 ΩOperating temperature 2 KAccelerating Gradient 23..35 MV/mQuality factor 1010Quality factor 1010
Qext (input coupler) 3×106
(D. Kostin, MHF-SL)
ACCELERATING CAVITIESACCELERATING CAVITIESACCELERATING CAVITIESACCELERATING CAVITIES
1.Quality factory
energy stored00 2 fQ π=
loss poweraveraged-time00 fQ
ll tenergy storedπ20 =Q
cycleperlostenergy0Q
1.Shunt impedance
( )( )ldti
voltageng accelerati=
2
2
shR ( )loss poweraveraged-time×2sh
99 C ll C itC ll C it99--Cell CavityCell Cavity
9 Zellen1 3 GHz1.3 GHzΠ-ModeR/Q 520 Ω
C it MC it MCavity MessungenCavity Messungen
QO
1010
Q
Module 4 @5Hz Module 5 @5Hz
cav.8 detuned Module 5 @10Hz
20 25 30 35109cav.6,8 slightly detuned
E [M V /m ]EA C C
[M V /m ]
D. Kostin
C iti @ ACC1C iti @ ACC1Cavities @ ACC1Cavities @ ACC1 EP cavityM o d u le 2 *
35
M o d u le 2 * Cryostat tests: Vertical Horizontal Module (5Hz)
3dB WG power attenuator put before cavity 7 to lower the field emission and to use cavities
25
30
odul
e
m]
3dB att.5,6 and 8 with higher gradients
15
20 FEMo
ACC [M
V/m
5
10
15
E A
1 - Z54 2 - Z51 3 - D42 4 - D37 5 - AC72 6 - C47 7 - Z53 8 - AC690
5
2 3 .0 4 .2 0 0 4CavityD. Kostin, MHF-SL
C iti @ ACC2C iti @ ACC2Cavities @ ACC2Cavities @ ACC2M d l 1 *
WG power attenuators are installed before cavities 1, 2 d 6 t th iti ith hi h di t
35M o d u le 1 * Cryostat tests:
Vertical Horizontal Module
2dB att.3dB att.1dB att.
2 and 6 to use other cavities with higher gradients
25
30
m]
15
20
Mod
ule
ACC [M
V/m
5
10
E A
1 - S31 2 - C44 3 - C46 4 - S36 5 - D2 6 - A18 7 - D1 8 - A170
5
S3 C 3 C 6 S36 5 6 8 85 .1 1 .2 0 0 2Cavity
D. Kostin, MHF-SL
C iti @ ACC3C iti @ ACC3Cavities @ ACC3Cavities @ ACC3
40
Module 7 Cavity tests: Vertical (CW) Horizontal (10Hz)CMTB (10Hz)
30
35
40 CMTB (10Hz) FLASH
20
25
30
C [M
V/m
]
10
15
20
E ACC
0
5
10
1 - C21 2 - Z95 3 - C27 4 - A15 5 - C23 6 - Z96 7 - C25 8 - Z9923 .04 .2007Cavity
D. Kostin, MHF-SL
C iti @ ACC4C iti @ ACC4Cavities @ ACC4Cavities @ ACC4
M o d u le 4 Cavity tests: Vertical (CW) Horizontal (10Hz)M d l 4 (1H )
30
35
dule
Module 4 (1Hz) Module 4 (5Hz)
20
25 Mod
BDBDBDBD
MV
/m]
10
15
E ACC [M
1 C48 2 S34 3 AC57 4 AC56 5 AC55 6 AC59 7 Z52 8 AC640
5
1 - C48 2 - S34 3 - AC57 4 - AC56 5 - AC55 6 - AC59 7 - Z52 8 - AC640 1 .1 0 .2 0 0 4Cavity
D. Kostin, MHF-SL
C iti @ ACC5C iti @ ACC5Cavities @ ACC5Cavities @ ACC5
t src
Module 5 Cavity tests: Vertical (CW) Horizontal (10Hz)CMTB (2Hz)
30
35
dark
cur
rent CMTB (2Hz)
Module 5 (10Hz)
20
25
V/m
]
10
15
E ACC [M
V
1 AC62 2 AC61 3 AC65 4 AC66 5 AC79 6 AC77 7 AC63 8 AC600
5
1 - AC62 2 - AC61 3 - AC65 4 - AC66 5 - AC79 6 - AC77 7 - AC63 8 - AC6004 .0 7 .2 007Cavity
D. Kostin, MHF-SL
C iti @ ACC6C iti @ ACC6Cavities @ ACC6Cavities @ ACC6
M odu le 6 Cavity tests: Vertical (CW) Horizontal (10Hz)
30
35
40 CMTB (10Hz) FLASH
20
25
30
[MV/
m]
10
15
20
E ACC
0
5
10
1 - AC70 2 - AC76 3 - AC81 4 - Z87 5 - Z85 6 - Z92 7 - Z83 8 - Z900
20 .02 .200 7CavityD. Kostin, MHF-SL
Sit ti i FLASHSit ti i FLASHSituation in FLASHSituation in FLASH
modulemodule cavitycavity EEaccacc[MV/m][MV/m]
attenuator attenuator [dB][dB] commentcomment
ACC1ACC11, 2, 3, 41, 2, 3, 4 1313 —— capture section, lower gradientcapture section, lower gradient
5, 6, 85, 6, 8 2020 ——77 1414 33 too high FEtoo high FEgg
ACC2ACC2
3, 4, 5, 7, 83, 4, 5, 7, 8 2323 —— limited at 24 .. 25 MV/mlimited at 24 .. 25 MV/m11 2121 11 quenchquench22 1616 33 hh22 1616 33 quenchquench66 1818 22 quenchquench
ACC3ACC3 1 ... 81 ... 8 2525 —— limited at 25.5 MV/mlimited at 25.5 MV/mACC4ACC4 1 … 81 … 8 2323 —— limited at 23.5 MV/mlimited at 23.5 MV/mACC5ACC5 1 … 81 … 8 2525 —— limited at 26.0 MV/mlimited at 26.0 MV/m
1 41 4 3232 XFEL tXFEL t limited at 33 0 MV/mlimited at 33 0 MV/mACC6ACC6
1 ... 41 ... 4 3232 XFEL typeXFEL typeRF powerRF powerdistributiondistribution
limited at 33.0 MV/mlimited at 33.0 MV/m5, 65, 6 2121 limited at 22.0 MV/mlimited at 22.0 MV/m7, 87, 8 2626 limited at 27.0 MV/mlimited at 27.0 MV/m
TTF III C lTTF III C lTTF III CouplerTTF III Coupler
Ei k lEi k lEinkopplerEinkoppler1.3 GHz1.3 GHzfrequencyfrequency
safe operationsafe operationclean cavity assembly for high clean cavity assembly for high
two windows, TiN two windows, TiN coatedcoated
pulsed: 500 µsec risetime,pulsed: 500 µsec risetime,800 µsec flat top with beam800 µsec flat top with beam
operationoperation
S h i i k it
6 W6 W70 K heat load70 K heat load0.5 W0.5 W4 K heat load4 K heat load0.06 W0.06 W2 K heat load2 K heat load
y y gy y gEaccEacc
coatedcoatedSchwierigkeiten:•HF-Einkopplung•Kalt-Warm-Übergang•Vakuumtrennung bias voltage, suppressing bias voltage, suppressing
multipactingmultipactingisolated inner isolated inner conductorconductor
6 W6 W70 K heat load70 K heat load
sufficient for safe operation and sufficient for safe operation and monitoringmonitoringdiagnosticdiagnostic
•Vakuumtrennung•mech. Bewegung beim Abkühlen•…
TTFTTF TESLATESLA 9cell / 9cell / upgradeupgrade XFELXFEL
Peak power + Peak power + control margincontrol margin
250 kW250 kW250 kW / 250 kW / 500 kW500 kW
150 kW150 kWcontrol margincontrol margin 500 kW500 kW
Repetition rateRepetition rate 10 Hz10 Hz 5 Hz5 Hz 10 Hz10 Hz
Average powerAverage power 3 2 kW3 2 kW 3.2 kW / 3.2 kW / 1 9 kW1 9 kWAverage powerAverage power 3.2 kW3.2 kW
6.4 kW6.4 kW1.9 kW1.9 kW
Coupling (Qext)Coupling (Qext)adjustableadjustable( 10( 1066 -- 10107 7 ))
fixedfixed( 3*10( 3*106 6 ))
adjustableadjustable( 10( 1066 -- 10107 7 ))
S h itt i hS h itt i hSchnittzeichnungSchnittzeichnung
cavitycold windowwarm window
module 70K shield 4K shield
I T lI T lIm TunnelIm Tunnel
I DOOCSI DOOCSIn DOOCSIn DOOCS
Feedback MUSS AUS sein,bevor RESET gedrückt wirdg
V k iV k iVakuumanzeigeVakuumanzeige
R kR kResonanzkurveResonanzkurve
1Güte:ωω
2 2/1
0=Q0.6
0.8
τωω
021
2 2/1
=Q
0.8
1
0
0.2
0.4
0 4
0.6
0 2 4 6 8 100
Im Falle von FLASH:
0
0.2
0.4Q0 = 1010!f1/2 = 0.04 Hzτ = 24 s
-10 -5 0 5 100
Di P l t ktDi P l t ktDie PulsstrukturDie Pulsstruktur
1,2,5,10 Hz
800 μs
1 μs (oder Vielfache)μ ( )→ 110 ns (später)
Ankopplung an KlystronAnkopplung an KlystronAnkopplung an Klystron Ankopplung an Klystron senkt die Gütesenkt die Güte
Füllzeit wäre viel zu langFüllzeit wäre viel zu langHFHF--Leistung für den Strahl könnte nichtLeistung für den Strahl könnte nichtHFHF Leistung für den Strahl könnte nicht Leistung für den Strahl könnte nicht nachgeliefert werdennachgeliefert werdenfür gegebene Spannung, R/Q und Strom gibt es für gegebene Spannung, R/Q und Strom gibt es eine optimale Güteeine optimale Güteeine optimale Güteeine optimale Güte
)()/(2 IQRUQ optL =
Bei FLASH benutzen wir die Güte für 8mA, d.h. 3E6Bei FLASH benutzen wir die Güte für 8mA, d.h. 3E6(d i t d E b TESLA)(d i t d E b TESLA)
)cos()/(2, ϕIQRQ optL
(das ist das Erbe von TESLA)(das ist das Erbe von TESLA)Zeitkonstante ~ 700Zeitkonstante ~ 700μμss
Welche Größen sindWelche Größen sindWelche Größen sind Welche Größen sind relevant?relevant?
AmplitudeAmplitudePhase Phase FrequenzFrequenz
→ Referenz!
= Δphase/zeitqq p
D t ll l V ktD t ll l V ktDarstellung als VektorDarstellung als Vektor
Die Wechselwirkung vonDie Wechselwirkung vonDie Wechselwirkung von Die Wechselwirkung von HF und BunchkompressorHF und Bunchkompressor
Allgemeines zurAllgemeines zurAllgemeines zur Allgemeines zur HFHF--ErzeugungErzeugung
FPGAFPGA
D M ltib kl tD M ltib kl tDas MultibeamklystronDas Multibeamklystron
Quelle: TESLA TDR
B M d l tB M d l tBouncer ModulatorBouncer Modulator
Keine Spielchen mit dem Timing!
M d l tM d l tModulatorenModulatoren
Modulator 2 (Halle 3)
H2.2(Halle 2)
Lokale BedienungLokale BedienungLokale Bedienung Lokale Bedienung FermilabFermilab--ModulatorenModulatoren
I H ll 3I H ll 3In Halle 3In Halle 3
M d l tM d l tModulatorenModulatoren
Kleiner Pegel grosse Wirkung:Kleiner Pegel grosse Wirkung:Kleiner Pegel grosse Wirkung:Kleiner Pegel grosse Wirkung:Die LLRFDie LLRF
Mischer: misst Amplitude und Phase zu ReferenzKalibrationsfaktor: Amplitude und pPhase zu StrahlVektorsumme: phasenrichtiges Aufsummieren von 8, 16 oder 24 CavitiesS t kt d
FPGA
Setzpunkt und Feedforward als Tabelle→
Tabelle: Einträge für jedeTabelle: Einträge für jedeTabelle: Einträge für jede Tabelle: Einträge für jede Microsekunde des PulsesMicrosekunde des Pulses
Setz”punkt”
Feedforward(Stellwert (?))
DOOCSDOOCSDOOCSDOOCS
Die wichtigsten SchritteDie wichtigsten SchritteDie wichtigsten Schritte Die wichtigsten Schritte zusammengefasstzusammengefasst
Die Knöpfe hier startenkeinen Prozess sondern
i F t !nur ein neues Fenster!(Sieht man, wenn mandie Maus drüberbewegt)
St t /Sh tdSt t /Sh tdStartup/ShutdownStartup/Shutdown
ZZ/R t tZZ/R t tZZ/RestartZZ/Restart
G t & Bö b i d HFG t & Bö b i d HFGut & Böse bei der HFGut & Böse bei der HF
1. Loop Phase
good bad ugly
Mitkopplung stattGegenkopplung:Gege opp u gHF läuft aus demRuder→Spark!
W k t d ?W k t d ?Woran erkennt man das?Woran erkennt man das?
Verdächtig, wahrscheinlich Sättigung
tolerabelziemlich übelgefährlichgefährlich
V i ht hV i ht hVorsichtsmassnahmenVorsichtsmassnahmen
Niemals Klystron einschalten, wenn Feedbackloop Niemals Klystron einschalten, wenn Feedbackloop geschlossen istgeschlossen istgeschlossen istgeschlossen ist(Insbesondere kein Interlock(Insbesondere kein Interlock--Reset)Reset)Warten, bis KlystronWarten, bis Klystron--Spannung voll da istSpannung voll da istErst Feedforward an, Kurven beobachten, dann Erst Feedforward an, Kurven beobachten, dann FeedbackFeedbackG i h itt i höhG i h itt i höh i b di b dGain schrittweise erhöhen Gain schrittweise erhöhen –– insbesondere, wenn insbesondere, wenn Einstellungen sich geändert haben könntenEinstellungen sich geändert haben könntenPhasenscans möglichst nicht bei geschlossenerPhasenscans möglichst nicht bei geschlossenerPhasenscans möglichst nicht bei geschlossener Phasenscans möglichst nicht bei geschlossener Loop (wenn der Scanbereich gross ist)Loop (wenn der Scanbereich gross ist)
Q hQ hQuenchQuench
Oder ein Blick auf dieOder ein Blick auf dieOder ein Blick auf die Oder ein Blick auf die KryoKryo
Z Ab hlZ Ab hlZum AbschlussZum Abschluss
Kein Übermut aber auch keine Angst!Kein Übermut aber auch keine Angst!–– Im Prinzip ist das System durch das Im Prinzip ist das System durch das
technische Interlock geschützt, aber man technische Interlock geschützt, aber man d j i ht b di t bid j i ht b di t bimuss das ja nicht unbedingt ausprobierenmuss das ja nicht unbedingt ausprobieren
–– Abschalten per Interlock verhindert Abschalten per Interlock verhindert nmittelba en Schaden belastet abe dienmittelba en Schaden belastet abe dieunmittelbaren Schaden, belastet aber die unmittelbaren Schaden, belastet aber die
Komponenten unnötigKomponenten unnötigV d W f ll d St hlf i bV d W f ll d St hlf i bVor dem Wegfall der Strahlfreigabe Vor dem Wegfall der Strahlfreigabe Hochspannung herunterfahren!Hochspannung herunterfahren!
I H ll 2I H ll 2In Halle 2In Halle 2
I H ll 3I H ll 3In Halle 3In Halle 3
Rü k it M d l t 3Rü k it M d l t 3Rückseite von Modulator3Rückseite von Modulator3
Kl 3Kl 3Kly 3Kly 3
SF6SF6SF6SF6
Kl t 2Kl t 2Klystron 2Klystron 2
LLRF Ti iLLRF Ti iLLRF + TimingLLRF + Timing
I H ll 3I H ll 3In Halle 3In Halle 3
Kl 4&5 Z LLRFKl 4&5 Z LLRFKly 4&5 Zugang + LLRFKly 4&5 Zugang + LLRF
Klystron 4&5Klystron 4&5yy
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