YGM 11/02/2008 Journées Coupleur IN2P3 Page 1 But Coupleur de Spiral 2 Conception RF

YGM 11/02/2008 Journées Coupleur IN2P3 Page 2 But Bonne transmission de la puissance au faisceau Bonne transmission de puissance dans le coupleur. Minimiser les pertes dans le coupleur. Minimiser/ empêcher le phénomène de multipacteur. Transmission de puissance souhaite entre le coupleur et la cavité Design simple Design économique Conception en rapport avec les autres études; thermiques, vibratoire, mécaniques…

YGM 11/02/2008 Journées Coupleur IN2P3 Page 3 Coupleur Spiral 2 Accélérateur linéaire supraconducteur en cours de construction à GANIL Faisceaux p ossibles : Faisceau proton (H+) d’une intensité comprise entre 0.15 et 5 mA, d’une énergie comprise entre 0.75 MeV et 40 MeV Faisceau deuton (D+) d’une intensité comprise entre 0.15 et 5 mA, d’une énergie comprise entre 0.75 MeV par nucléon (unité MeV/A) et 20 MeV par nucléon. Ions Q/A=1/3 et d’intensité maximale de 1 mAe jusqu’à une énergie comprise entre 0.75 MeV/nucléon à 14.5 MeV/nucléon. Ions Q/A=1/6 et d’intensité maximale de 1 mAe jusqu’à une énergie comprise entre 0.75 MeV/nucléon à 14.5 MeV/nucléon Le coupleur transfert la puissance des amplificateurs RF 88 MHz aux cavités accélératrices quart-d’onde (  = 0.07 and  = 0.12). Puissance nominale de 10 kW CW pour un champ accélérateur de 6.5 MV/m. Le coupleur est conçu pour accepter 100% de puissance réfléchi

YGM 11/02/2008 Journées Coupleur IN2P3 Page 4 Coupleur Spiral 2 Le couplage inductif n’a pas été retenu: Difficultés d’implantation dans une zone délicate (partie supérieure de la cavité ) du point de vue mécanique. Zone utilisé pour un accord du résonateur Limitations sur le diamètre de la ligne coaxiale d’amenée de puissance Couplage électrique: Par une antenne verticale située en bas de la cavité (les champs essentiellement électriques sont relativement uniformes)

YGM 11/02/2008 Journées Coupleur IN2P3 Page 5 Coupleur céramique disque Coupleur céramique cylindrique Coupleurs prototypes de Spiral 2 Choix final du coupleur de Spiral 2 Céramique disque Céramique cylindrique Manchette

YGM 11/02/2008 Journées Coupleur IN2P3 Page 6 Voici le déroulement simplifié de la conception RF du coupleur avec la céramique disque. Les calculs ont été réalisés avec logiciels MAFIA ( P. Balleyguier ) et HFSS ( Y.Gómez) Des études identiques ont été réalises pour la conception du coupleur avec céramique cylindrique.

YGM 11/02/2008 Journées Coupleur IN2P3 Page 7 Conducteur externe / antenne Coaxial d’ une impédance caractéristique de 50 Ohms. Diamètres choisis de 36 mm/ 15.6 mm (conducteur externe /antenne) Limitation coté cavité du diamètre de couplage à 40 mm maximum. Un diamètre intérieur plus grand est avantageux en termes de couplage, de champ électrique et de dissipation. Existence de brides standard de diamètre 36. Diamètre qui accepte la puissance nominal (10 kW CW) et aussi dans le cas ou tout est réfléchi (limites du système). La liaison RF entre le coupleur et l’ amplificateur est fait par une ligne coaxiale 3’’ 1/8 EIA ( à 88MHz avec peu des pertes). La sortie du coupleur vers l’amplificateur passe au standard 3’’1/8 EIA dès que possible.

YGM 11/02/2008 Journées Coupleur IN2P3 Page 8 La céramique disque TYPES: Céramique coaxial d’épaisseur λ/2. A 88MHz, λ/2 ～ 0.5m!! Céramique d’épaisseur 6 mm, le plus petit possible mais assez pour minimiser le risque de sa rupture. Céramique 97.6% Al 2 O 3. Constante diélectrique ε r = 9 Facteur de dissipation (tan  ) : à 1 MHz 6mm (Céramique 10 mm épaisseur : S 11 = -25dB P ref /P inc = 0.3% Céramique 6 mm épaisseur. S 11 = dB P ref /P inc = 0.2% ) Quart de figure du coupleur Un seule fenêtre, pour des raisons de simplification et de coût.

YGM 11/02/2008 Journées Coupleur IN2P3 Page 9 Pas de réflexion Y(mm)X(mm)S 11 ( dB) Spécifications : S 11 ≤ -30 dB P ref /P inc < 0.1%) On cherche l’adaptation X (mm) Y (mm) S 11 < -50 dB

YGM 11/02/2008 Journées Coupleur IN2P3 Page 10 Champs acceptables RégionCond. Interne* Cond. Externe* Céramique** Puissance moyennes (W) Pour P inc = 40 kW E max in the window = V/m Acceptable Le coupleur est conçu pour accepter 100% de puissance réfléchi, donc on a calculé les champs correspondants à 4*Puissance nominale. R s 3 mOhm/sq a 300 K * Les forts champs E à sont l’origine de claquages. Les champs H sont à l’origine de dissipations. Dissipations: Acceptable **

YGM 11/02/2008 Journées Coupleur IN2P3 Page 11 Couplage optimisé Qext:Facteur de qualité de couplage P rad :Puissance rayonnée E st : Énergie stockée Cavité  = 0.12 : Q ext entre ( – ) Avoir la bonne transmission du puissance au faisceau

YGM 11/02/2008 Journées Coupleur IN2P3 Page 12 Non reglable Les conditions de couplages sont différentes dans chaque cavité (particule, tension, phases accélératrices et intensité ) Le Q ext de est l’optimum par rapport à tous les faisceau possibles pour la cavité  = ( JL.Biarrotte). Coupleur unique et non réglable pour les deux types de cavités. Une pénétration différente pour chaque type de cavité réalisé par deux manchettes différentes. (Enfoncement théorique cavité  = 0.12 de 13mm) On travail avec un fonctionnement désadapté

YGM 11/02/2008 Journées Coupleur IN2P3 Page 13 Étude : Antenne décentré Etude par simulation. S 11 = dB du coupleur avec céramique cylindrique sur la cavité S 11 = dB du coupleur avec l’antenne déplacée de 5.1 mm (modélisé par une inclinaison du conducteur central par rapport à la ceramique), Valeur encore acceptable. Le centrage de l’extrémité de l’antenne n’est pas critique

YGM 11/02/2008 Journées Coupleur IN2P3 Page 14 Le multipacteur Étude simplifié de E.Somersalo et al. dans les lignes coaxiales par M. Fruneau Multipactor 1 et 2 points (P et p respectivement). Formules générales donnant la puissance à laquelle survient le multipactor pour une fréquence et un conducteur donnés. P 1 point = k* p 2 points=k* La zone de multipacteur (MP) correspondrait à des puissances très faibles, sans possibilité de cascade d’électrons. f : est la fréquence, d : le diamètre interne du conducteur externe, Z : l’impédance de la ligne

YGM 11/02/2008 Journées Coupleur IN2P3 Page 15 Le coupleur céramique disque