RFQ e Sezione ad Energia Intermedia

Capri: "Fisica
"Fisica e Tecnologia degli Acceleratori e Tecniche Correlate"
Progetto TRASCO_AC : RFQ e Sezione ad
Energia Intermedia
Giuseppe Valeriano Lamanna INFN Bari
Ion Source
0.08 MeV
LNS
RFQ
5 MeV
ISCL
100 MeV
Main Linac
1000 MeV
LNL and BA
MI and GE
G. Bisoffi, M. Comunian, J. Esposito, E. Fagotti, A.Facco,
A. Lombardi, A. Palmieri, A. Pisent, F. Scarpa
INFN-LNL
G. V. Lamanna, V. Variale
INFN-BA
R. Baruzzo
CINEL Strumenti Scientifici
http://trasco.lnl.infn.it
• RFQ: 1. Dinamica del Fascio
2. Progettazione della Cavità e dell’intero sistema per
l’alimentazione a Radio-Frequenza
3. Analisi Termo-Strutturale
4. Apparato per il vuoto
5. Parametri Costruttivi , Procedure, Costruzione Primo Modulo
• Sezione ad Energia Intermedia:
1. La Cavità Rientrante, quad superferrico e amplificatori allo
stato solido
TRASCO RFQ: Parametri Principali
Intervallo d’energia [MeV]
0.08 - 5
Frequenza [MHz]
352.2
Corrente (Protoni) [mA]
30
Duty factor [%]
100
Max campo superficiale [MV/m]
33
Emittanza RMS Tr in - out
[mmmrad]
0.2 – 0.2
Emittanza RMS L out [MeVdeg]
Lunghezza [m]
Tensione Intervane [kV]
68
Trasmissione [%] (@ 50 mA)
96
Modulatione in - out
1 - 1.94
Apertura media R0 [mm] in - out
2.93 - 3.19
Fase sincrona [deg] in – out
-90 -29
Potenza Dissipata SF*1.2 [kW]
580
0.18
Fattore di Qualità SF/1.2
8261
7.13 (8.4 λ)
Potenza Totale [kW] (@ 30 mA)
728
Principali Richieste
• Bassa sensibilità agli errori di costruzione (disallineamento,
errori meccanici ecc.). Tecnica dell’accoppiamento risonante
• RFQ in rame OFE brasato (Tol. di 20 µm); la brasatura è effettuata
presso il Cern
• Tensione costante lungo RFQ; frequenza di cut-off costante
lungo RFQ
?V/V ≤2% ;
∆ω q ≤20 kHz
• Perdita di carica in prevalenza al di sotto di E < 2 MeV
• Basso consumo di potenza (1MW); utilizzeremo un klystron del
tipo LEP
• RF couplers derivano da quelli utilizzati al LEP (finestre di tipo
coassiale)
• La modulazione è effettuata con un utensile a raggio costante
Le simulazioni di dinamica
96
0.4
95.5
0.375
95
0.35
94.5
0.325
0.3
93.5
0.275
93
0.25
92.5
0.225
92
EL rms [MeVdeg]
Transmission [%]
94
0.2
91.5
0.175
91
0.15
T [%]
90.5
0.125
EL rms [MeVdeg]
90
0.1
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
Voltage Shape [%]
2
3
4
5
Trasmissione in dipendenza della ‘piattezza’del
campo elettrico:
Tr ≥ 95 % se ?V/V ≤2%
Catena di codici prodotti a Los Alamos: Curli,
RFQUICK, PARI, PARMETEQM.
I risultati sono stati confrontati (corrente di 50 mA) con
i codici TOUTATIS (CEA/Saclay) e LIDOS.RFQ
(Lidos team). I risultati sono: 97,41% di particelle
accelerate e 98,52 % trasmesse nel caso di
TOUTATIS mentre 98,66 % accelerate e 98,66 %
trasmesse nel caso di LIDOS.RFQ.
0.3
0.26
95.5
92
0.24
90
0.22
88
0.2
86
0.18
84
0.16
82
0.14
100
30
40 50 60
Current [mA]
70
80
90
Transmission [%]
94
El RMS [MeVdeg]
96
20
0.23
0.24 0.25
0.26
0.2
0.195
0.19
0.185
95
0.18
94.5
0.175
94
0.17
T [%]
93.5
0.165
EL rms [MeVdeg]
93
0.16
92.5
0.155
92
0.15
-30
10 mA - 99.5 % Tr.
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
Emittance/Enominal [%]
15
20
25
30
+15% Emit - 95 % Tr. (50 mA)
Relative Losses [%]
Disall. 0.2 mm - 95 % Tr. (50 mA)
Mismatch 10% - 95 % Tr. (50 mA)
Particelle perse e potenza dissipata in
funzione dell’energia; la potenza totale
depositata è 1 kW. Al di sopra dell’energia
di 2 MeV è 210 Watts
Et rms [mmmrad]
0.18 0.19 0.2 0.21 0.22
96.5
0.28
10
0.17
97
96
0
0.15 0.16
EL rms [MeVdeg]
T [%]
EL RMS [MeVdeg]
98
Transmission [%]
0.14
0.32
3.50
350.0
3.00
300.0
Relative Losses [%]
2.50
250.0
Deposited Power [W]
2.00
200.0
1.50
150.0
1.00
100.0
0.50
50.0
0.00
0.0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Energy [MeV]
3.5
4
4.5
5
Deposited Power [W]
100
Progetto della Cavità
End Cell
•
•
Coupling Cell
Progettazione
2-D:
SUPERFISH,
definizione della sezione trasversa
Progettazione 3-D: Campo elettrico
costante lungo la sezione longitudinale.
MAFIA e HFSS (End Cells, Coupling
Cells, Tuners, Porte da Vuoto,
Coupler… ).
Campo elettrico trasverso lungo la
sezione longitudinale
Porta da vuoto
Sistema da Vuoto: Richieste
1.
2.
3.
4.
5.
Efficienza : la Pressione P= 10 –6 torr deve essere costante lungo RFQ in
presenza del gas load
Componenti affidabili : salvaguardia dal rischio di rotture
Ridondanza dei vari componenti: il sistema deve essere in funzione anche
nel caso di rotture di alcuni componenti
Alta velocità di pompaggio per H2 : sistema di pre-vuoto e di alto vuoto liberi
da contaminanti
Integrazione con le altre strutture ancillari: supporto RFQ, Supporto delle
guide d’onda e guide d’onda stesse etc.
• 5 Pompe criogeniche : 3 nella prima stazione di pompaggio, 2 nella seconda
• 2 Pompe criogeniche saranno in stand-by, disponibili nel caso di rotture delle
altre o nel caso di rigenerazione delle stesse.
• Sistema di pompaggio per il pre-vuoto: uno nella prima stazione ed uno nella
seconda stazione di pompaggio.
Stazione di Pompaggio
Sistema da Vuoto: Performance
•P:, pressione richiesta
•Q:, gas load
: 1.0 x 10-6 torr
: 1.55 x
10-3
torr lit/sec
•S, velocità di pompaggio : 7500 lit/sec (3 pumps)
Gas Load Source
O u tgassin
Copper RFQ
g
O u tgassin C o p p e r g a s k e t s
g
O u tgassin
V iton o -rings
g
O u tgassin
Stainless steel
g
p l u m b ing
L e a k a g e f o r m v iton o -rings
L o st proton beam
P r o t o n b e a m injection
section (LEBT)
V a lue (torr
liter/sec)
(related to H 2 )
Total
Required vacuum level
inside RFQ
3 . 3 x 1 0 -5
2 . 0 x 1 0 -6
2 . 2 1 x 1 0 -4
2 . 3 x 1 0 -5
2 . 5 x 1 0 -4
4 . 7 x 1 0 -4
2 . 1 x 1 0 -4
1 5 . 5 x 1 0 -4
1 . 0 x 1 0 -6 torr
Parametri
Valore calcolato
Valore Richiesto
Velocità di Pompaggio effettiva
2488
1164
3800
1378
(torr/lit)
Conduttanza (torr/lit)
Tempo tra 2 rigenerazioni consecutive per pompa
271 giorni
Cicli di crossover
5067
Perturbazione in Frequenza globale indotta dai canali di raffreddamento
ANSYS (Fluido-dinamica) e HFSS
(RF) simulazione della sezione RMS
Velocità dell’acqua in ingresso 4 m/sec
Temperatura Max. 30 oC
Turbolenza
Coupler e Transizione
RETURN LOSS FOR THE WR2300 TO 50 O COAX TRANSITION
-15
-20
-25
RL[dB]
POWER COUPLER
•Minimo coefficiente di Riflessione (VSWR<1.05)
•Minima Potenza dissipata
•Minima perturbazione del campo elettrico
•Transizione a Doorknob (WG verso coax)
•Guida coassiale da 50 O (raggio interno=8.7 mm,
raggio esterno = 20 mm)
•Porta RF (del tipo LEP)
•Livello di potenza immessa per porta P= 100 kW
Drive loop
•Accoppiamento induttivo
•Area del loop ottimizzata utilizzando HFSS in modo da
ottenere l’accoppiamento ottimale
-30
-35
Rext=23 cm
Rext=22 cm
-40
Rext=24 cm
-45
57
58
59
60
61
h[mm]
62
63
64
Analisi Termo-Strutturale (ANSYS)
Dati d’ingresso:
Densità di potenza da HFSS: 800 W totali dissipati sul conduttore centrale di cui 500 W nel loop. 100 W sono dissipati sul conduttore
esterno (i dati relativi ad una potenza immesa di 100 kW sono stati quadruplicati). La Temperatura del canale di raffreddamento
fissata a T=20 °C
Risultati:
La deformazione non supera i 0.2 mm. Ciò implica che l’area del loop varierà al massimo 8 % e conseguentemente il coefficiente di
accoppiamento non varierà più del 3.4 %. Questo provocherebbe una variazione del VSWR d 1 a 1.03.
RFQ e Strutture Ancillari
•Lunghezza 7.2 m
•Potenza RF immessa 800
kW (1 Kly)
•8 Couplers
•4500 Lit/min acqua per
raffr.
•33 MV/m Campo superf.
RFQ TRASCO: Modello in Alluminio
LRFQ= 8.4 λ
Struttura ad accoppiamento risonante
Procedure per la stabilizzazione
ed ‘appiattimeto’ del campo sono
necessarie
Campo elettrico normalizzato rispetto all’energia totale lungo RFQ
per i quattro quadranti
?V/V ≤2%
RFQ: Procedura di Costruzione
Viti Cu fissaggio
Tuner
cave brasante
Aggiustaggio
prima della
brasatura
Porta da vuoto
Uscita dei Canali
coupler
• Pre-sgrossatura pezzi.
• Foratura profonda.
• Sgrossatura a + 2 mm dal profilo finale.
• Trattamento termico a 200 °C- 2h.
• Lavorazione finale dei pezzi.
• Lavorazione piani e modulazione.
• Pulitura dei pezzi e assemblaggio.
• Accordatura in frequenza e fissaggio delle
viti in rame.
• Montaggio delle flange laterali per il
pompaggio, per il tuner e per il coupler e
tappi di chiusura dei canali.
• Prima BRASATURA in orizzontale (820 °C).
• Lavorazione tappi dei canali, e dell’imposta
delle due flangie di testa.
• Pulitura dei pezzi.
• Seconda BRASATURA in verticale (790 C)
delle flange di testa e dei tubi in inox di
raccordo dei canali per l’acqua.
RFQ TRASCO: Modello in Rame
Costruzione di un modello di RFQ in rame OFE lungo
22 cm.
1. Procedure di costruzione e brasatura
2. Assemblaggio
3. Tolleranze meccaniche
4. Verifica della brasatura delle flangie in Acciaio
5. Tenuta del vuoto
•Foratura
profonda
dei
canali
di
raffreddamento (toleranze di circa 200 µm)
Modulazione
ρ
RFQ TRASCO: Primo modulo
1. Frequenza di Quadrupolo di Progetto
Campo elettrico normalizzato dei quattro quadranti
rispetto all’energia totale lungo RFQ
2. Variazione del Campo Elettrico
?E/E ≤5%
Modo
Quadrupolo νq
Dipolo 1-3 ν1−d 3
Dipolo 2-4 ν2−d 4
∆ν1d− 3,2 − 4
Freq.(MHz)
352.211
348.619
346.916
1.703
QL ; QUL
2685 ; 4056
Cavità Rientranti Superconduttive
•Sviluppate per Fasci di Alta Intensità
•352 MHz, Gap singola, apertura di 30 mm
•Elevata Accettanza in Velocità:5÷ 100 MeV
• Progettate pressi i LNL
• Costruite dalla Zanon, Schio (Vicenza)
• Pulizia profonda presso il CERN
• Funzionamento veificato presso LL
1.E+10
1.E+09
Qo
1.E+08
7W
1. after CP
2. after vacuum failure
3. after HPR
1.E+07
0
1
2
3
4 5 6
Ea, MV/m
7
8
9
10
Verificate alla temperatura di 4.2K:
•Assenza di multipacting
•Ea= 7.5 MV/m @7W
Magneti Quadrupolari Superferrici
Amplificatori a Stato solido da 5 kW LNL-MSU
•Sviluppti presso MSU-NSCL in
collaboratione con INFN-LNL per essere
utilizzati nei linac a superconduzione
•Compatti; possono essere usati nei
criostati
•La schermatura magnetica è necessaria
•Funzionamento verificato a 300K
• Evoluzione degli amplificatori da 2.5 kW, uniti tra di
loro da splitter a 2 vie e combiner
– in fase di costruzione-il combinner in fase di
progetto
– La tecnologia relativa alla costruzione dei moduli
da 330 W è stata trasferita all’industria. I moduli
sono reperibili sul mercato.
Nuovo modulo da 330 W . La stabilità è stata migliorata
Conclusioni
•
•
•
•
Procedure di appiattimento del campo elettrico all’interno del RFQ verificate
Procedure e soluzioni adottate per la costruzione verificate
RFQ è in fase di costruzione
Apparato da vuoto, Supporto per RFQ e Guide d’onda nella fase di
ingegnerizzazione
• Apparato per il raffreddamento: progettazione ed ingegnerizzazione
• Cavità rientranti: funzionamento verificato con successo
• Abbiamo effettuato studi sulla dinamica del fascio nel linac SC
• La cavità a mezza onda è nella fase della costruzione del prototipo
Obbiettivi 2003 (RFQ)
• Proggettazione integrata dei diversi sotto-sistemi
• Costruzione dei restanti 4 moduli