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Problematiche relative allarealizzazione delle cavita’ di
PIAVE
1. Le cavita’ risonanti superconduttive per acceleratori
2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE3. Le cavita’ SRFQ: dalle prove in laboratorio
all’operazione sull’acceleratore
G. Bisoffi - Corso sulle macchine acceleratrici - LNL 7-10 gennaio 2003
1. Le cavita’ risonantisuperconduttive per acceleratori
• Cavita’ risonanti• Superconduttivita’• Tecnologie di costruzione
1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori
Acceleratori senza cavità: accelarori elettrostatici
Energia sufficiente (15 MV * (q+1))per collisioni di interesse per la fisica nucleare. Per energie superiori, tuttavia, il principio di accelerazione deve mutare.
1) Non si riesce a caricare nuovamente di elettroni perticelle già accelerate a questa velocità.
2) Potenziare i tandem e' tecnologicamente molto difficile (Strasbourg -VIVITRON - 35 MV = ?).
1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori
Dagli acceleratori elettrostatici alle cavita’ risonanti
Cavità risonanti: amplificano un segnale elettromagnetico in ingresso e creano lungo l'asse del fascio un elevato campo elettrico che varia a radiofrequenza (LINAC). La sincronizzazione tra il pacchetto di fascio e la fase dell'onda elettromagnetica è cruciale per l'accelerazione.
STRUTTURA RISONANTE – Scatola metallica a pareti perfettamente conduttrici
che fa da confinatore di energia elettromagnetica: inviando al suo interno radiazione elettromagnetica, modi di vibrare con
E=E|| , H=HT sempre perpendicolare possono sussistere.Può essere considerata come una trasformazione di un circuito LC
(induttanza collegata ad una capacità), in cui le spire di L si moltiplicano sino a tradursi in una parete uniforme.
Si utilizza la regione di alto E per farvi passare le particelle da accelerare.
Risonatore elettromagnetico: una scatola metallica
1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori
LCL
La cavità a quarto d’onda - QWR (Quarter Wave Resonator)
Si tratta di una scatola metallica particolare
costituita da un tratto di cavo coassiale,
cortocircuitato ad un estremo ed aperto all’altro estremo.
Alla “risonanza” principale (utile per accelerare particelle) il campo
magnetico è massimo all’estremità
cortocircuitata e raggiunge il minimo
all’estremo opposto, e viceversa per il campo
elettrico
L
C
1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori
Parametri caratteristici di una cavità risonante
• Frequenza f: numero di oscillazioni al secondo (legata al volume EM interno)
• Campo elettrico accelerante (Eacc) e guadagno di energia della particella ∆W (rel. A.M.Porcellato)
• Energia immagazzinata: energia elettromagnetica che è necessario accumulare in cavità per produrre un certo Eacc.
• Campi superficiali massimi: il limite e’ sui massimi valori dei campi E e H raggiungibili sulla superficie interna (emissione di elettroni o riscaldamenti anomali) ad essi e’ proporzionale il campo accelerante
1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori
Il fattore di qualità Q e le soluzioni N/S conduttiveFattore di qualità (Q)
Q è quindi l’indice di quanto la cavità riesca a conserbare nel tempo l’eneria immagazzinata: Q vale circa 104 per cavità normal
conduttive (NC) (P~100 kW) e 109 per cavità superconduttive (SC) (P ~ 1 W)
Naturalmente parte del risparmio sulla bolletta elettrica viene pagato con il costodella liquefazione dell’elio necessario alla refrigerazione alla temperatura di4 K (-263 °C) il vantaggio di operare una cavità in regime SC ad un fattore circa 400, comunque apprezzabile
PU*ωQ =
1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori
Cavita’ NC: anche a maggior consumo, la potenza che si puo’ dissipare in pratica e’ < 10-100 kW: oltre, l’incremento di temperatura provoca fenomeni(stress meccanico, espansione termica, degassaggio) che la rendono pocopratica:vengono limitati quindi o il ciclo di accensione ( 1-20 %) o il valore deicampi elettrico e magnetico (U)
Superconduttività: cenni
•• La resistenza elettrica dc va a
zero nello stato SC sotto la temperatura critica (9.2 K per niobio)
• Per T < TC : Piccola ma basilare attrazione tra elettroni di conduzione, dovuta all’interazione tra loro e la vibrazione degli atomi del materiale (teoria BCS).
• Un primo elettrone causa una distorsione locale della struttura cristallina ed un accumulo locale di carica positiva. Questa si traduce in un potenziale attrttivo verso l’elettrone successivo.
1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori
resTT
s ReT
ARC
+=−αω 2
Per frequenze sotto i 10 GHz e T < TC/2,
Somma di resistenza BCS (modello a due fluidi) e della resistenza residua Rs (10-20 nW), la quale non dipende dalla temperatura ma rende conto di limitazioni dei materiali SC reali Rres domina in genere nei risonatori a bassa frequenza(f=50-150 MHz), dove quindi l’operazione a 4.2 K (e non in regime di elio superfluido) è sufficiente.
Piombo e Niobio: i due materiali(SC a T < TC) piu’ comunemente
usati per costruire cavita’.
Superconduttività: cenni
1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori
Tecnologie di costruzione• Strato superficiale di alcuni µm di Pb (per elettro-
deposizione) o Nb (per sputtering) su una base di ramemassiccio: la penetrazione dei campi EM e’ molto ridotta. Si sfrutta la ottima conducibilita’ termica del Cu.
• Formatura e saldatura di pezzi in Niobio pieno: lastra da2÷3 mm per minore conducibilita’ termica, migliore per geometrie complesse.
1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori
PIAVE
EXPERIMENTALHALLS 1, 2
QWR di ALPI
CR10 CR9 CR8 CR7 CR6 CR5 CR4 CR3 B2
CR12 CR13 CR14 CR15CR16 CR17 CR18 CR19 CR20 B4
COLD BOX
XTU TANDEM
Sezione di piu’ altaenergia
β =13%, Niobio su Rame, 160 MHz
B3
Sezione di energia intermediaβ =11%, Piombo/Niobio su
Rame, 80 MHz
Sezione di piu’ bassaenergia
β =5.5%, Niobio in lastra, 80 MHz
1. ALPI – Cavita’ QWR2. Varie tecnologie di
costruzione e frequenze3. Solo su PIAVE
anche cavita’ RFQ
ECR
Sezione ad energia intermedia: β=11%, Pb/Cu & Nb/Cu, 160 MHz
Si toglie chimicamente lo strato di Pb e si fa uno Sputtering di Nbsulle medesime basi di Rame
Risultato: Ea (@7 W): da 2.3 (Pb) a 4.3 MV/m (Nb)
1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori
PR
OG
ETT
O A
LPI U
PG
RA
DE
• Buon vuoto• No Scariche
• Alta temperatura del substrato
Niobium Sputtering (Nb/Cu)
Catodo: Tubo in Nb
Base di Cu
1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori
PIAVE 80 MHz, β=0.047 QWR
1.00E+07
1.00E+08
1.00E+09
1.00E+10
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Ea (MV/m)
Q
Q at 7W
old specifications
new specifications
PIAVE bulk Nb QWR's
Sezione ad energia inferiore (e PIAVE): β=5.5%, Nb pieno, 80 MHz
1. Le cavità risonanti superconduttive per acceleratori
2. Le cavita’ SRFQ1 e SRFQ2 di PIAVE
•Introduzione•Costruzione ed assemblaggio•Caratterizzazioni in fase costruttiva•Trattamenti superficiali•Condizionamento e prestazioni finali
L’iniettore PIAVE
SCBooster
ALPI
XTU-Tandem
Positive Ion InjectorPIAVE
ECRIS Alice350kV platform
2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE
A che serve PIAVE?
1) PIU’ CORRENTE
2) MASSE PIU’ PESANTI
3) PIU’ BEAM TIME
DISPONIBILE (DUE
INIETTORI)
ALPI Output with the two Injectors
0
10
20
30
0 50 100 150 200 250A
E/A
[MeV
/u]
Tandem+ALPI (G-F) (1-10 pnA)
PIAVE+ALPI (40-200 pnA)
New Injector
Tandem
2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE
Massa degli ioni accelerati
SRFQs
ECRIS
QWRs
to ALPILEBT
CRYOSTAT
CRYO-PLANT
2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE
Schema di PIAVE
beamline
SRFQ2
1.38 m 0.74 m
SRFQ1
37 keV/u (β = 0.0089) 585 keV/u (β = 0.035)
f0=80MHz
2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE
Due RFQ superconduttivi in un solo criostato
• Focheggiamento ⇐ ET (principale)• Accelerazione ⇐ E‖ (piccola ma efficace)
Modulazione dei 4 vani (sincrona coi pacchetti di fascio)Un periodo di modulazione = βλ
NORMALE CONDUTTIVA∆U ~ 100 kV, Q ~ 104, d.c. < 20%
con alcune eccezioni(Los Alamos: 2.2.MW rf, 100 mA-beam)
SUPERCONDUTTIVA∆U~ 300 kV, Q~109, d.c. = 100%
Motivata dal minor consumo (c’e’ ALPI che va gia’ a d.c. = 100%)
(kr)coskz]IAcos2θr[A2Vz)θ,U(r, 010
201 +=
Ideale per β=v/c < 0.05Di solito NC, 50-400 MHz
2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE
Come funzione l’RFQ
0.8 m
f0 = 80 MHz(± 10 Hz)
2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE
SRFQ2 di PIAVE in Niobio pieno (lastra s =3 mm)
Fasi di costruzione e assemblaggio
In rapida carrellata fotografica
2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE
Cilindri cavi (per l’elioliquido) dietro i vanimodualti
Pre-lavorazione dei vani da “modulare”
Test di accoppiamento tra vani da modularee cilindri
Studio di un foro ellittico in grado dipermettere una estrusione di pari diametro
Strumentoper
l’estrusione
L’estrusione si paga in assottigliamento(da 3 a ~ 2 mm)
Preparazione all’accoppiamento pre-saldaturatra foro estruso e supporto
Piegatura ed elettro-erosione dei supporti
Componenti di un supporto,
da saldare a fascio dielettroni
Loro saldatura…
Il fascio di elettroni (150 kV-10 mAin camera a 10-5 mbar) fonde tra loro i lembi accostati: la zona fusa poirapprende
e - Il pezzo si muove sottoil fascio, che resta fermo.
Elettrodi e supportipronti per esseresaldati gli uni agli
altri
Saldatura EBW trasupporti ed
elettrodi
Pezzi saldati pronti per distensione termicae lavorazione della modulazione
Distensione a 800 °Cnel forno di DESY (D) (courtesy of W. Singer)
Lavorazione della modulazione (di nuovo a LNL)
Calandratura dei 4 quarti di tank esterna
Lavorazione del loro lembo (pre-saldatura)
Le costolature esterne di irrigidimento in Ti prevedono un inserto saldato in Nb per evitare la
diffusione di Ti (non SC!) dentro la cavita’
Distensione delle costolature di irrigidimento nel forno di Legnaro prima della loro saldatura ai quarti
di tank
La saldatrice EBW della Zanon SpA lascia uscireun quarto di tank con la gabbia in Ti saldata
E’ il momento di mettere assieme 8 pezzi e centrarlia meglio di 0.1 mm
Ciascun elettrodo e’ posizionato con precisione di± 50 µm rispetto ad una struttura di riferimento
esterna
Saldati i supporti alle basi irrigidite i pezzi sonodiventati 4 e l’allineamento deve essere rifatto
Saldatura EBW tra quarti di cavita’ (da fuori – EBW su tutto il 1.6 mm di spessore)
La tank viene portata alla sua lunghezza di progetto
Saldatura delle flange alla cavita’
Fascio di elettronifisso
La cavita’ e’ fatta ruotare e traslare
Il prodotto finito.
• Sensibilita di f0 al vuoto• Sensibilita di f0 al freddo• Attacco di pulizia chimica e sensibilita di f0 al
questa• Rimozione di microparticelle con trattamento di
acqua deionizzataad alta pressione (HPWR)
2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE
Operazioni conclusive della fase di costruzione.
Obiettivo: raggiungere 80 MHz (± 100 kHz) in vuoto, a 4 K e dopo pulizia chimica
Diminuzione di f0 = - 16 kHz
Rigidita’ meccanica: deformazioni sotto vuotoe diminuzione di f0
Le barre in Ti longitudinalifanno una freccia di 20 µmsotto vuoto
Gli elettrodi si avvicinano e laCapacita’ cresce
Come varia la frequenza durante il raffreddamento? SRFQ in vuoto ed in un bagno di azoto liquido
79.7
79.8
79.9
80
80.1
80.2
80.3
0 1 2 3 4 5 6
At 300KAt 77K
Fine tuning rangef [
MHz
]
Theoretical f-change from 300 to 77 K
SS-SRFQ2 liq. Nitrogen tests
Measurement number
Conclusione: riscontro con la previsione teorica moltobuono, soprattutto rispetto all’ intervallo diregolazione fine a disposizione (vedi piu’ avanti)
2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE
Variazione di frequenza durante il raffreddamento.
Una mappatura termica puòessere applicata a cavità digeometria semplice per rilevareposizione ed effetti di un particolare difetto.
Difetti rilevati con mappa-T e SEM
Perdite localizzate in zone di alto campo magnetico superficiale : difetti
Opportunita’ di rimuovere lo strato superficiale
danneggiato, inquinato o schiacciatodurante la
costruzione (~ 100 µm)
2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE
CP @ CERN
Rimozione di 50÷120 µm con unasoluzione di acidi nitrico, solforicoe ortofosforico.
Da fare per gradi successivi, per verificare come varia la f0 con la rimozione del materiale.
2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE
Pulizia chimica al CERN
L’azione dell’acido va bloccata subito con lavaggiSuccessivi di acqua deionizzata
• 5 litri di acetone• 500 litri a 80 bar di acqua
deionizzata• 10 litri di alcol etilico• Asciugatura con aria
calda filtrata• Chiusura immediata con
le flange di fondo
Giovanni BISOFFI – EPAC 2002 Superconducting RFQs at INFN-LNL
High Pressure Water Rinsing
2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE
Richiamo... (A.M. Porcellato)
Per determinare se una cavità raggiunge i suoi parametri di progetto, o se un nuovotrattamento superficiale ne ha miglioratole prestazioni, si eseguono misure del fattore di qualità contro il campo accelerante.
Una cavità di cui si deve valutare il Q è equipaggiata con un accoppiatore per la potenza in ingresso dalla sorgente rf(antenna di coupler) e di unauscita (antenna di pickup), che normalmentecampiona una parte dell’energiaimmagazzinata nel risonatore.
OSC
AMPGEN
Misura delle prestazioni della cavita’
2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE
1.E+06
1.E+07
1.E+08
1.E+09
0 5 10 15 20 25 30
Peak Surface Field [MV/m]
QLast multipacting level,conditioned in SC regime ( t < 4 h )
Condizionamento dei livelli di Multipacting
2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE
Perdite relative ai campi elettrici superficiali: Emissione di campo (FE)
Il tipico meccanismo che limita i campi nelle cavità SC è l’emissione di campo:
In zone di alto campo elettrico, vengono emessi elettroni, che assorbono gran parte dell’energia che viene fornita alla cavità.
Fin dove puo’ arrivare il campo accelerante?
2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE
La emissione iniziale provoca sufficiente calore da liberare gas a livello locale, che poi viene ionizzato dalla corrente di emissione. Gli ioni sono accelerati verso la superficie rf, liberano ancora più gas innalzando la T.
Perdite relative ai campi elettrici superficiali: Emissione di campo (FE)
2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE
1.E+07
1.E+08
1.E+09
0 5 10 15 20 25 30Peak surface field [MV/m]
Q
1 W 2 W
5 W
10 W
20 W
40 W
1 h 1.5 h 6 h 11 h
Condizionamento della emissione di campo
2. Le cavita’ SRFQ di PIAVE
3. Gli SRFQ: dalle prove in laboratorio all’operazione in
PIAVEIn operazione deve restare a campo costante (bencondizionata) e sincrona coi pacchetti di fascio
(∆φ=k rispetto all’oscillatore di riferimento → e’ utile chef0 = 80 MHz ± 0.0001 – agganciata in frequenza)
• Regolazione di f0 alla precisione di alcuni Hz• Sensibilita’ di f0 alle variazioni di pressione del bagno di He liquido• Controllo elettromagnetico di f0 con vibrazioni meccaniche• Risultati sperimentali• Conclusioni
Frequenza e Pressione del bagno di He
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0 50 100 150 200 250 300Pressure Change [mbar]
Freq
uenc
y C
hang
e [k
Hz]
- 39 Hz/mbar
Cryogenic-Plant Specs: 1.2 ±0.05 bar; ∆P/∆t < 2 mbar/min → 1.33 Hz/s
IMP
OR
TAN
TE P
ER
ELI
O IN
CIC
LO D
I RE
FRIG
.
- 48 Hz/mbar
(QWR-Nb: – 5 Hz/mbar)
SRFQ2
SRFQ1
3. SRFQ: dal laboratorio all’operazione
Variazioni lente di f0 in lab (∆P del bagno di He)
0
10
2030
40
50
60
7080
90
100
15:21 16:04 16:48 17:31 18:14
He
refill
Scarichi degli essicatori,collegati in parallelo a tuttigli impianti(8÷16 volte/ora)
A 80% Ea,max
Time of the day
Freq
uenc
y D
rift [
Hz]
ELI
O E
VA
PO
RA
TO A
RE
CU
PE
RO
NB: le variazioni di frequenza dovute al purificatore scompaionocol bagno pressurizzato a +0.140 bar
3. SRFQ: dal laboratorio all’operazione
Regolazione fine di f0 (∆C →- ∆f0)
Ce n’e’ due! (± 3 mm)(sistema virtualmente
privo di scartomeccanico)
Sensibilita’: 0.5 Hz
Intervallo coperto:300 kHz
(150 kHz → +∆f tuner;-150 kHz →–∆f tuner)
Velocita’ divariazione ≥ 2.5 Hz/s
+ ∆C − ∆C
3. SRFQ: dal laboratorio all’operazione
Al tasso di ∆f misurato in lab, ogni tuner si muove di alcuni decimi di mm al giorno! → lo si porta a zero solo all’inizio del turno.
Variazioni rapide di f0: vibrazioni meccaniche
∆f = 20 HzPampl = (2πU ∆f) = 500 W
Amplif. da 1 kW, QL~106
Modo SEL, aggan. in ϕ&A
Q0=8x108 @ f0 = 80 MHz → ∆f0 = f0 /Q0 = 0.1 Hz!
0.1 Hz
20 Hz
1. Struttura irrigidita da una gabbia di Ti2. Modo meccanico inferiore ~ 120 Hz
(contro 40÷70 Hz in genere per cavita’ SC)3. Sala linac: ragionevolmente quieta > 60 Hz
QL = ωU/(Pd+Pe) = f0 / ∆fL
3. SRFQ: dal laboratorio all’operazione
Locked_following-f_0 (martellata su criostato)
-250
-200
-150
-100
-50
0
500 5 10 15 20 25
Time [s]
∆f [
Hz]
Risoluzione: 0.25 s
3. SRFQ: dal laboratorio all’operazione
Non si innescano oscillazioni! Buon segno.
Una sicurezza ulteriore: i Fast Tuners
Intervallo di frequenza controllata 20 → 200 Hz, Fast Tuners (ANL→LNL, July 02)Adattati da un disegno che funziona ad Argonne (USA), costruiti ANL con collaborazione LNL (V. Andreev, GB, E. Bissiato, D. Carlucci, O. Carletto)
Il tuner originale di Argonne
I tuner di LNL in assemblaggio
3. SRFQ: dal laboratorio all’operazione
SCHERMATA DELLA PAGINA DI CONTROLLO DEGLI SRFQ1&2 PER LA CONSOLLE DI OPERAZIONE MACCHINE
f & A errors during locking at 77% of specified field
-2.00E-01
-1.50E-01
-1.00E-01
-5.00E-02
0.00E+00
5.00E-02
1.00E-01
1.50E-01
2.00E-0118:11:31 18:18:43 18:25:55 18:33:07 18:40:19
Time of the day
f & A
err
or [V
]
Phase errorAmplitude error
Interviene Tuner 1
Interviene Tuner 2
3. SRFQ: dal laboratorio all’operazione
Zoom on the effect of dryer depressurizations
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
011:35:18 11:36:01 11:36:45
Time of the day
∆f [
Hz]
3. SRFQ: dal laboratorio all’operazione
3. SRFQ: dal laboratorio all’operazione
In conclusione …• SRFQ1&2: i primi RFQ SC che raggiungono le
prestazioni di progetto e che vengono montati su un acceleratore
• Raggiungono il campo accelerante richiesto (rel. di A. Pisent)
• Sono centrati e stabili in frequenza (80 MHz) rispetto alletutte le sollecitazioni che hanno potuto subire in laboratorio
• Resta da provare come si comportano nel criostatofinale nel vano PIAVE (ma intanto si e’ gia’ fatta un belpo’ di strada…)
• Se funzioneranno la’, la loro operazione sara’ simile aquella delle cavita’ QWR