SOLEIL - Super-3HC (SLS et ELETTRA)

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1 SOLEIL - Super-3HC (SLS et ELETTRA)
Cryomodules à cavités Supraconductrices Pour machines à rayonnement synchrotron SOLEIL - Super-3HC (SLS et ELETTRA)

2 Cavités SOLEIL « monomode »
Structure RF pour les machines à faisceau d’électrons de forte intensité: Cavités SOLEIL « monomode » Mode fondamental HOM monopolaire HOM amortis par des coupleurs à boucle supraconductrice placés entre les cellules

3 2 cryomodules à cavités accélératrices Nb/Cu 352MHz
Collaboration CEA – SOLEIL - CERN SOLEIL: 2 cryomodules à cavités accélératrices Nb/Cu 352MHz compenser la perte d’énergie par rayonnement synchrotron du faisceau d’électrons: 650kW → 4 cavités (2 cryomodules) munies de coupleurs 200kW de type LEP

4 SOLEIL Études, réalisation, assemblage, et test du cryomodule SOLEIL prototype (collaboration avec le CERN) APD SOLEIL Test du cryomodule prototype sur l’anneau de l’ESRF (collaboration avec l’ESRF) En 2002 Modification du cryomodule prototype avant son installation sur l’anneau SOLEIL début 2005 pour le commissioning (Collaboration CEA – SOLEIL – CERN) Cryomodule 2 SOLEIL installation sur site: Août 2005

5 (5 périodes de 4 jours à 4.5K en 2002)
SOLEIL Tests sur anneau ESRF (5 périodes de 4 jours à 4.5K en 2002) Tests en puissance RF du cryomodule complet au CERN (fin 1999)

6 SOLEIL Lors des tests à l’ESRF, le cryomodule SOLEIL a généré une tension RF crête supérieure à 3 MV avec une puissance de 200kW par cavité, de façon stable, pendant plusieurs heures, contribuant ainsi – avec les 4 MV produits par les cavités normales de ESRF – à stocker un courant d’électrons de180 mA. Ces performances sont amplement suffisantes pour la première année d’opération de SOLEIL, en 2005 : courant maximum de 400 mA, durée de vie Touschek supérieure à 30 heures. Il a donc été décidé que le « commissioning » de SOLEIL serait réalisé avec ce seul cryomodule prototype. Quelques rénovations seront entreprises avant son installation sur la machine (ajout d’un écran d’isolation thermique, modifications des coupleurs HOM dipolaires et de leur refroidissement, de l’instrumentation).

7 Cavités harmoniques supraconductrices et passives à ELETTRA et SLS
Super-3HC Cavités harmoniques supraconductrices et passives à ELETTRA et SLS 2 cryomodules (une par machine) avec 2 cavités passives Nb/Cu à 1.5 GHz pour augmenter la durée de vie du faisceau d’électrons Collaboration CEA – PSI – Sincrotrone Trieste CERN Juin 1999 à Août2003

8 Augmentation de la durée de vie faisceau dominée par l’effet Touschek
Super-3HC Augmentation de la durée de vie faisceau dominée par l’effet Touschek sdouble  3ssingle gradient voltage  0 Un système RF de 3ème harmonique (1.5 GHz) permet: d’augmenter la taille des paquets d’e- → diminuer leur densité de charge → d’augmenter la durée de vie faisceau

9 Super-3HC Spécifications Bunch lengthening mode:
Temperature : 4.4 to 4.5 K Fundamental mode frequency : F0= MHz Total max accelerating voltage: V=1.0 MV Tuning range: DF=±500 kHz Tuning resolution: R  10 Hz Q0 vertical tests at CERN: > at 5MV/m and 4.5 K Q0 cryomodule tests at Saclay: > at 4MV/m and 4.4 K Ql loaded: > at 4MV/m and 4.4 K Damping: Longitudinal HOMs : fR.R  < 7.0 kW.GHz Transverse HOMs : R < 130kW/mm Parking mode at 300 K or 4.5 K: cavities tuned between 2 revolution harmonics Max. cryomodule length: 1.1 m

10 Optimisation de l’amortissement des HOMs
Super-3HC Optimisation de l’amortissement des HOMs Z L C t r 3 , l 2 1 f I Hz Alumina window load Capacitive gap Stub diameter Loop geometry Notch filter Distance to beam axis Optimisation de la géométrie des coupleurs HOMs Cavité modèle pour l’optimisation de l’amortissement

11 Super-3HC La structure RF 1 port pick-up par cavity
2 coupleurs pour modes longitudinaux 4 coupleurs pour modes transverses 1 coupleur de puissance incidente par cavité pour les tests RF

12 Super-3HC Cavités 1.5 GHz Nb/Cu fabriquées et testées à 4K en cryostat vertical au CERN Le dépôt Nb (1.5 µm) a été déposé par magnétron sputtering à l’intérieur de la cavité cuivre (technique CERN) Une cathode de petit diamètre a été développée spécialement pour la géométrie de cette cavité

13 Super-3HC Le système d’accord est utilisé pour contrôler la tension accélératrice (cavité passive) en ajustant la fréquence de la cavité Fixations sur le tank He Moteur pas à pas avec réducteur Linéarité de la fréquence versus le nbre de pas moteur rigidité > 1000 kN/mm rigidité avec tank He: 220 kN/mm (10x cavity) amplitude maximale :  0.5 mm, ou ± 1.5 MHz résolution théorique : 0.5 nm, or 1.7 Hz Le système d’accord fonctionne sous vide à 4K

14 Assemblage du cryomodule à Saclay
Super-3HC Assemblage du cryomodule à Saclay En salle blanche de classe 100 Assemblage de la masse froide

15 Super-3HC Cryomodule SLS Cryomodule ELETTRA

16 Super-3HC Cryomodule SLS installation en juin 2002
début “warm operation” (200mA) juin 2002 mise en froid septembre 2002 (opération stable à 400 mA avec cavités froides) “cold operation” avec faisceau: 30 septembre 2002 Cryomodule SLS Warm operation: courant limité à 200 mA: échauffement des cavités (avec vide d’isolation) Cold operation: opération stable à 400 mA – obtention du maximum d’élongation allongement paquets: x3 - durée de vie faisceau: x 2.2 Landau damping: suppression des instabilités longitudinales mode utilisateurs en opération stable à 300 mA avec une tension réduite

17 Super-3HC Cryomodule ELETTRA installation en août 2002
début “warm operation” septembre 2002 (140mA at 2.4 GeV) mise en froid 9 janvier 2003 fonctionnement stable à froid et 320 mA GeV Cryomodule ELETTRA Warm operation: le mode à 2.0 GeV est interdit à cause d’interactions entre le mode fondamental des cavités parquées et les raies du faisceau d’électrons à 2.4 GeV mA les cavités peuvent être parquées transparentes au faisceau Cold operation: les cavités parquées n’influencent ni l’injection à 0.9 GeV, ni la rampe en énergie jusqu’à 2.0 ou 2.4 GeV suppression de toutes les instabilités longitudinales (à 2.0 GeV - 320mA) allongement paquets: durée de vie faisceau: x 3.5 (à 2.0 GeV) période mars à juin: cavités parquées à cause de problèmes sur les systèmes d’accord résolus durant shutdown de juin.

18 Conclusions: Les 2 machines ont gagné un facteur supérieur à 3 sur l’allongement des paquets, un facteur supérieur à 2 sur la durée de vie faisceau (3.5 pour ELETTRA à 2.0 GeV). De plus l’effet « Landau damping » permet de supprimer les instabilités longitudinales. Aucune instabilité faisceau n’a été provoquée pas Super-3HC, en particulier sur ELETTRA à l’injection à 0.9 GeV et pendant le ramping en énergie jusqu’à 2.0 ou 2.4 GeV (pas d’apparition d’HOM). En opération à froid, les 2 cryomodules se révèlent très stables: pas d’échauffement anormal, tension très stable, pression résiduelle très stable. Aucun interlock n’a été provoqué par Super-3HC pendant la 1ère année de fonctionnement à SLS, ni pendant les 5 premiers mois d’ELETTRA. Super-3HC = premières cavités harmoniques installées sur des machines à rayonnement synchrotron