CLIC: CALIFES et nouvelles activités RF en bande X

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1 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 Structure accélératrice 12 GHz avec wakefield monitors Planning ROSCOFF 12 Octobre F. Peauger

2 Energie nominale = 3 TeV dans le centre de masse
Concepts clefs du collisionneur lineaire e+e- CLIC 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 Energie nominale = 3 TeV dans le centre de masse Luminosité = cm-2 s-1

3 Schéma général de CLIC Version 3 TeV = 48.3 km Version 500 GeV = 13 km

4 Structures acceleratrices +100 MV/m, 64 MW, 229 mm
Module CLIC à deux faisceaux PETS -6.5 MV/m, 136 MW, 213 mm Drive Beam 100A Main Beam 1A Structures acceleratrices +100 MV/m, 64 MW, 229 mm Longueur du module = 2 m, quantité = à 3 TeV

5 CTF3 et participation CEA
CHARGES RF 12 GHz pour TBL DELAY LOOP 4 A – 1.2 ms 150 Mev COMBINER RING Two Beam Test Stand 32 A – 140 ns 150 Mev DRIVE BEAM LINAC FAISCEAU SONDE CALIFES 0.9 A – 21 ns – 170 MeV 10 m CLEX CLIC Experimental Area STRUCTURE ACCELERATRICE WAKEFIELD MONITOR 12 GHZ BANC DE TEST 12 GHz

6 Implantation de CALIFES dans CTF3
Profileur de faisceau Longueur totale = 25 mètres environ BPM LAL Orsay CEA/DEN

7 Résultats de CALIFES (Wilfrid Farabolini)
Photo-canon (LAL): Taille transverse du faisceau: s = 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: Taille transverse du faisceau: s = 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 : e = 43.6 mm.mrad (horiz.) e = 68.6 mm.mrad (vert.) (spéc. < 20 mm.mrad). - Devrait s’améliorer en augmentant l’énergie et le spot laser Longueur de paquet : sz = 1.42 ps (specif 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 Canon Dipôle

8 Deux Convertisseurs de mode
Déphaseur de puissance CEA Permet le réglage précis de la phase de la section de compression et donc de la longueur des paquets Déphasage par variation de la longueur d’onde guidée et utilisation du mode TE01O 350 kg 1 m Deux Convertisseurs de mode Cylindre coulissant Cylindre 1 Cylindre 2 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 4 Brasages étagés à BODYCOTE (reste 1) Transmission / pertes = dB -> 95% de conversion Reflexion < -30 dB sur 12 MHz de bande passante

9 Contribution CEA Saclay
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 Développement d’un modulateur état solide par SCANDINOVA
Modulateur haute tension Développement d’un modulateur état solide par SCANDINOVA (1.8 x 3 x 2 m3) 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 % L1 ALIMENTATION CONTINUE COMMUTATEUR ETAT SOLIDE TRANSFORMATEUR D’IMPULSION KLYSTRON L2 L3 1000VDC 1000V 450kV

11 Klystron XL5 SLAC Développement d’un nouveau klystron 12 GHz par le SLAC, basé sur le model existant à 11.4 GHz Specification : Fréquence = 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 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 Utilisation du mode circulaire TE01
Pour guides d’onde circulaires de rayon a (m) Pour guides d’onde rect. de dimensions a x b (m²) 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, b the propagation constant, k the wavenumber, kc the cut-off wavenumber and h = ohm the impedance of free-space. (“Microwave Engineering”, D.M. Pozar, p.125 and 136):

13 Vanne RF et convertisseur de mode CEA
Conception et fabrication en collaboration CEA/CERN de composants RF de puissance spécifique Specifications : Fréquence = GHz Puissance = 100 MW Largeur d’impulsion = 300 ns Fréquence de répétition = 50 Hz

14 Implantation du banc de test 12 GHz

15 Charge RF de puissance pour la ligne TBL
Transmission vers le pick-up = dB Specifications : Fréquence = GHz Puissance = 80 MW Largeur d’impulsion = 300 ns Fréquence de répétition = 5 Hz Mag E – log GHz for 1W in ¼ structure Développement d’une charge compact instrumenté CEA basé sur un design CERN Reflection = dB 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

16 Wakefield Monitor pour Structure Accélératrice 12 GHz
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 Participation du CEA - Phase 1: Design et fabrication d’un WFM prototype, intégration dans une structure 12 GHz CERN et test avec faisceau CALIFES Calculs GDFIDL sur cluster LXCLIC du CERN 360e6 mailles – 13 heures de calcul par run Y+ Amplitude des signaux recombinés pour un offset faisceau de 1 mm (Volts) U0 U1 X- DX=X+-X- X+ DY=Y+-Y- Y- Donné par HFSS Temps (s) Donné par Gdfidl

17 Linéarité et spectre en fréquence du WFM
Amplitude max. du signal recombiné (volt) Offset dx (mm) Recombined port signal amplitude 14.7 GHz 16.76 GHz F (Hz) 17

18 Wakefield Monitors pour Structures Accélératrices 12 GHz
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 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 72h Disque Quantité: 24 par structures WFM Quantité: 4 par structures Qualification de deux sociétés d’usinage en cours

19 Planning de CLIC et des activités CEA
Projet CLIC Approuvé ? Premier Faisceau ? CDR TDR

20 Extra-slides

21 Caractéristiques et spécifications de CALIFES
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

22 Composants RF de puissance 12 GHz
BANC DE TEST 12 GHz Specifications : Fréquence = GHz Puissance = 80 à 100 MW Largeur d’impulsion = 300 ns Fréquence de répétition = 50 Hz Convertisseur de mode ~130 x 130 mm Quantité: 6 Vanne RF Quantité: 2 Design RF : CEA Design mécanique: CERN Fabrication : CEA / CERN Nouvelle charge de puissance instrumentée inox 430 Longueur : 65 cm Quantité: 16 Guides coudés 90° plan E Quantité: 16 LIGNE TBL

23 Compresseur d’impulsion RF SLED1 GYCOM

24 Améliorations laser Globalement 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 TIC meeting 23 sept Wilfrid Farabolini

25 Amplitude max. du signal (voltage)
offset

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