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