Nextef status and near future - Indico

CLICに関連した
加速管製作と
Nextef の現状・プラン
For briefing by KEK DG
June 20, 2008
T. Higo, S. Matsumoto, S. Fukuda
CLIC加速管
加速管
CLIC_G
CLIC_C
CLIC_VG1
目的
現在のCLIC設計
加速管
昨年までのCLIC
設計加速管
試験進行中
CLIC_C相当
T18_VG2.4_Disk
セル数
２４
２４
１８
カプラー
未定
未定
モード変換型
100MV/mへの電力
６４MW
６５MW
100MV/mへの電力
ビーム無し
５４MW
パルス幅
２４０ｎｓ
３００ｎｓ
～３００ｎｓ
パルス内温度上昇
５３℃
７１℃
７０℃
HOM減衰
Q<10
Q<10
Q=∞
実質上、CERNのサポートにより
KEKで進めている加速管製作
• 加速管表記法（TW/SW・セル数・減衰有無_群速度_輪切円盤/四分割）
• 設計・加工・組立・処理・試験ｂｙ CERN・KEK・SLAC・SLAC・SLAC/KEK
• T18_VG2.4_Disk 加速管 4台
– ＃１試験中＠SLAC，＃２ KEK試験待ち
– ＃３，＃４加工完了、組立プラニング中
• TD18_VG2.4_Quad 加速管 1台
– KEK加工試験完了 → 実機への詳細検討中秋口に完成予定
• TD18_VG2.4_Disk 加速管 2台＋α
– 2台製作機械設計検討中年末までに完成予定
• C10シリーズ
試験用レギュラーセル部分のみ 2セット＋α
– TD18_VG2.4_Disk 相当を製作する
Structure fabrication
planning/proposal
Higo Presentation at 2nd collaboration
meeting at KEK May 2008
2008
5
6
7
2009
8
9
10 11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
TD18_VG2.4_Quad
TD18_VG2.4_Disk
T18_VG2.4_Disk #3
T18_VG2.4_Disk #4
Next step?? Depend on
the discussion in this
meeting.
Fabrication by KEK Bonding at SLAC Baking 650C
2008/5/13-15
2nd collaboration meeting on X-band
High gradient
4
10
状況まとめ
• 機械工学センターと進めている
– 四分割加工はメーカーに依頼
• SLACの洗浄、組立、真空処理施設の活用
– 今後もレファレンスとして必要、日米ベース
• 機械工学センター、加速器研究施設双方で
– （若い）マンパワーの増強が必要
– マンパワーに伴い、設備を拡充したい
Nextef near future plan
Higo Presentation
at US-HG Workshop,
Jan. 2008
加速管高電界試験への要求
• CLIC_C これまでのCLICK基本設計 24セル、25㎝
– 65MW, 300ns → 100MV/m（Loaded）
– DTs=71 ℃
• CLIC_VG1 (T18_VG2.4_Disk) 試験中の加速管 18セル、20㎝
–
–
–
–
–
CLIC_Cの24セル→上流18セル取り出し
モードコンバーターでの入出力
54MW → 100MV/m（Unloaded） → 最低必要ライン～60MW
65MW → 100MV/m（Loaded相当）
DTs=~70 ℃
• CLIC_G 現在のCLIC最適設計と称する加速管今後 24セル、25㎝
– 64MW, 240ns → 100MV/m（Loaded）
– DTs=53℃
CLIC加速管の試験に必要な
RF源への要求性能
• ピークパワー@加速管
– 最低 60MW、できれば70MW超
• パルス幅
– 300nsec
• パルス波形
– 高電界基本特性は矩形で良い
– 将来的には実際のランピング波形が必要
• 安定度
– ピークパワー
• ジッター１％レベル（∵ BDR～２倍程度影響/％揺らぎ）
– システムの放電頻度
• 1時間に1回以下
• 放電箇所の同定ができること
PPMクライストロン性能
長パルスでのパルス欠け
PPM #4
90.0
P ow er
80.0
Efficiency
70.0
60.0
50.0
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0
350.0 400.0 450.0 500.0
C athode V oltage (kV )
120
1/Tpulse
100
Power [MW]
Power (MW) / Eff. (%)
Pulse Shotening of PPM#4 Klystron
80
60
40
20
550.0
0
0
200
400
600
800
1000
Pulse width [ns]
1200
1400
1600
Nextef RF power line： Nominal value
Low loss waveguide
2-klystrons  120MW, 300ns
klystron—3dB 2.3m
3dB— LLWG 1.5m
LLWG 5m
LLWG—ACC Str 5.0m
WR90 flanges ~36sets*7mm SUS
ACC Structure
92MW
080513-15
Loss Kly.Str. ~23%
Delay ~ 50ns
Two klystrons
１２０MW
2nd collaboration meeting on X-band
10
Nextef の現状
• パワー計測
– パワー計測の校正を確立し、水負荷や複数台の方向性結合器
間で±10％程度で矛盾なく計測可能になった。
• ピークパワー
– 210nsec、80MW ＠合成部 → 加速管入力部で～60MW相当
– 300nsec、70MW＠合成部プロセシング中
– 300nsec、80MW達成したら、加速管試験に入る予定
• 放電特定システム
– これから至急立ち上げる
• 現システム、KX03加速管での高電界運転で行う。
• 2週間程度を予定している。
– 最低必要条件
• 各パルスを解析できること。
• 加速管の放電を確実に同定できること。
KEK Nextef 基本方針と問題点（１）
• クライストロン当面PPM×２台合成
– クライストロン基本性能ぎりぎりで用いる
– 予備無しに近い状態
– パルス欠け、ガン放電、等の問題抱えている
• モジュレータ現存で可能
– 500ｋV問題なし、部品の予備に多少危惧は有り
• パワー輸送ライン徐々に改善する
– 計算値より大きい伝送ロスがあり、原因追及している。
– 時々放電が起きている。場所の同定を行う。
– コンポーネントの新調等で次第に克服できると考えている。
KEK Nextef 基本方針と問題点（２）
• Nextef 長時間運転
– マンパワー確保が重要
– KEKB入射ライナック運転中は２４ｈ/ｄ可能
• シールド室
– Cバンド加速管等の試験との共存が必要
– 現在のシールド内での共存、シールド拡張等を検討中
• その他の展開拡張
– パルス圧縮
– クライストロン改修、改造、新調等
– その他
Higo Presentation at 2nd collaboration
meeting at KEK May 2008
Nextef planning
2008
5
6
7
2009
8
9
10 11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Establish system with KX03
T18_VG2.4_Disk #2
TD18_VG2.4_Quad
TD18_VG2.4_Disk
T18_VG2.4_Disk #3
T18_VG2.4_Disk #4
?????
C-band test at same place
2008/5/13-15
2nd collaboration meeting on X-band
14
10
Nextef 立ちあげと他のラボとの関連
• CERNのHigh power 計画
– 2009年末に１２GHｚクライストロン導入（予定）
– 従って、2010年までは事実上、高電界試験はSLAC＋KEK
• SLAC
– NLCTA 2ステーションあり
• 同上加速管＃１の試験を継続中
• 四分割管の試験に入る
– ASTA等他のシステム
• 立ちあげ中、又は基礎的試験進行中
• KEK Nextef
– 7月にT18_VG2.4_Diskの試験に入りたい。
– その後、効率良く試験を進めたい。
Nextef 中・長期（２～４年）計画案
1.
長期運転の実現
–
2.
導波管系
–
–
3.
Solenoid管→SCM化、XL4購入又は相当管開発？
放電検出システム
–
7.
拡張？
クライストロン
–
6.
コンパクトな圧縮装置で×４程度のパワー増幅を行う。
20MW×1.6μｓ×2台×4倍～160MW×300ns
シールド室
–
5.
コンポーネントの新調
各種デバイス（方向性結合器、ロード、合成器等）の開発
パルス圧縮
–
–
4.
運転形態、マンパワー、等適宜展開する。
学生等アイデア導入、高電界への貢献を期待する。
低電力RFコントロール
–
RF品質の計測と制御をまじめにやる。
まとめ
• CERNからの資金援助で加速管の製作を進めている。
• Nextef は最初の試験加速管を100MV/mで試験でき
るパワーレベルに到達しつつある。
• 放電試験システムを立ち上げて7月から試験に入る
予定。
• その後は、試験効率を上げ、また長期試験を効率
的にすすめるよう展開する。
• Nextefのパワーを十分なピークパワーを安定に供
給する域まで確立するよう今後、予算、マンパワー
等を確保する努力をする。
補填参考資料
Nextef: Nominal observables along waveguide
SLAC 3dB
ACC structure
DC made by BINP
WR90
IP 30l/s
Guard window
TE01-type
Higo Presentation at 2nd collaboration
meeting at KEK May 2008
Ohtsuka Load
080513-15
Lounine Load
(based on SLAC design)
2nd collaboration meeting on X-band
19
Nextef inside shield room
basic components are now in line.
2008/4/18
2008年メカワークショップ（肥後）
20
Nextef: observables along beam axis
PM GV
PM
ACC str GV
KX03
VAC
Q-mass
E
VAC DC
FC
Qmass
Varian
IP
VAC
230
WC
Insul
PM
Slit
AM
1 87
GV FC
GV
425
PM
DC
E
H IP
FC
Lounine
IP H load
IP
Varian IP
FC
AM
DC
WC
FC
IP H Otsuka
load
Load
FC
FC
Higo Presentation at 2nd collaboration
meeting at KEK May 2008k
080513-15
2nd collaboration meeting on X-band
21
Nextef to be done for breakdown
detection system
Higo Presentation
at 2nd collaboration
meeting at KEK
May 2008
• Tektro 7054 pulse-to-pulse analysis
– Take experience at KT-1
– Establish the threshold and other parameters
• RF pulse at all points
– Identify the breakdown position in Nextef system
– Digital data taking and analysis as needed.
• VME modules
– Restart operation program similar to XTF
– Use as positioning of arc in the system or in the structure.
• FC, AM, PM, PMT, Q-mass operations
– Basic performance should be confirmed. With actual signal or with
other source?
• Red-marked items should be from the beginning of CLIC_VG1 test.
2008/5/13-15
2nd collaboration meeting on X-band
22
Various detection tools are to be integrated
into Nextef control system
LLRF
Data storage
KEKB Inj. control
Higo Presentation
at 2nd collaboration
meeting at KEK
May 2008
Klystron
CCG
Modulator
INTLK
Mod. PLC
S/H &
DC Amp
Safety
Discri
System control PC
Python, Linux
X-ray
RF crystal
TDS3034B (300MHz)
TDS3054B (500MHz)
CT
DL7480
(500MHz)
History 4MW/ch
Various
signal
X-ray
Etc.
Etc.
Acc PLC
VME Acoustic
(SLAC)
FPGA
(100MHz)
Acoustic
DPO7054
(1GHz, every
pulse)
Etc.
Etc.
AM
FC
Nextef Conclusion
Higo Presentation
at 2nd collaboration
meeting at KEK
May 2008
• Nextef power rating is now ~50MW, 300ns, 50Hz level with
less than 1BD/hr.
• We need to establish the detection system in May with KX03.
– In breakdown detection and analysis at the input power level of
50MW or more.
• We want to start CLIC_VG1 before summer shutdown of KEKB.
– Some incompleteness of the system should be tolerated, as long as
essential features, such as power evaluation, processing protocol and
identification of breakdown, are confirmed.
• We try to operate the Nextef as effectively as possible within
the KEK regulation.
– Hopefully run during shutdown but we admit it not easily be realized.
080513-15
2nd collaboration meeting on X-band
24
Conclusion: Work to be done in near future (1)
• Establish the Nextef, at the top priority, as soon as possible for
a series of high gradient tests to meet the demand given from
the discussion of this meeting.
• Conduct the X-band long-term run at practical field level at
Nextef.
• Establish the fabrication of damped structure with cultivating
outside vendors.
• Collaborate with CLIC to get essential idea and technology on
high gradient to confirm feasible level of gradient.
• Collaborate with SLAC to gain understanding and technology
for higher field and higher power.
• Make a collaboration framework in Japan to make a wide range
of team for high energy machine developments.
Higo Presentation
2008/5/13-15
2nd collaboration meeting on X-band
at 2nd collaboration
meeting 25
at KEK
May 2008
Conclusion: Work to be done in near future (2)
• Propose a practical design of high-energy accelerator based
on independent RF systems.
• Try to find a place to accelerate a beam in a high gradient and
test various performance including other features than high
gradient.
• Try to find a place of practical accelerator application using
the present X-band RF technology, with possibility to taste
high gradient performance.
• Conclusion: In order to plan these activities, the input from
this meeting is critical.
2008/5/13-15
2nd collaboration meeting on X-band
Higo Presentation
at 2nd collaboration
meeting 26
at KEK
May 2008
Parameters of new structure CLIC_G
Structure
CLIC_C
CLIC_G
Frequency: f [GHz]
12
12
Average iris radius/wavelength: <a>/λ
0.12
0.11
Input/Output iris radii: a1,2 [mm]
3.87, 2.13
3.15, 2.35
+
Input/Output iris thickness: d1,2 [mm]
2.66, 0.83
1.67, 1.00
+
Group velocity: vg(1,2)/c [%]
2.39, 0.65
1.66, 0.83
+
N. of reg. cells, str. length: Nc, l [mm]
24, 229
24, 229
Bunch separation: Ns [rf cycles]
8
6
Luminosity per bunch X-ing: Lb× [m-2]
1.3×1034
1.22×1034
Bunch population: N
4×109
3.72×109
Number of bunches in a train: Nb
311
312
Filling time, rise time: τf , τr [ns]
60.0, 29.8
62.9, 22.4
Pulse length: τp [ns]
296.5
240.8
Input power: Pin [MW]
65
63.8
Pin/CtPp1/3[MW/mm ns1/3]
18
18
Max. surface field: Esurfmax [MV/m]
294
245
+
Max. temperature rise: ΔTmax [K]
71
53
+
Efficiency: η [%]
24
27.7
+
Figure of merit: ηLb× /N [a.u.]
7.7
9.1
+
+/
-
+
+
Grudiev 5
月国際会議
Parameters of new structure CLIC_G
Previous structure: CLIC_C
New structure: CLIC_G
Grudiev 5
月国際会議
高電界試験加速管第一ステップ
共同試験例：ディスク、アンダンプ
設計CERN→製作KEK→組立SLAC→試験SLAC＆KEK
2008/4/18
2008年メカワークショップ（肥後）
29
T18VG2.4_Disk structure RF process profile begin at Apr.14 2008
The gradient is the average unloaded gradient for the full structure.
First 500hrs, maximum unloaded gradient is 110MV/m
-3
50ns100ns
150ns
230ns 200ns
230ns
150ns 100ns
100
-4
50
-5
0
0
100
200
300
Time with RF on: hrs
400
The BKD Rate is normalized to the structure length(29cm).
6月9日 F. Wang SLAC
-6
500
log10(BKD Rate): 1/pulse/m
Average Unloaded Gradient MV/m
150
Second 500hrs, maximum unloaded gradient is 120MV/m
-3
70ns~210ns
100ns
230ns,210ns,190ns
100
-4
50
-5
0
500
Short pulse higher
gradient condition
6月9日 F. Wang SLAC
600
700
800
Time with RF on: hrs
Pulse shape
dependence BKD study.
900
-6
1000
log10(BKD Rate): 1/pulse/m
Average Unloaded Gradient MV/m
150
At 110MV/m with pulse
width around 220ns.
BKD Rate Profile at Different Conditioning Time
RF BKD Rate Pulse Width
Dependence at Different
Conditioning
Time
-4
RF BKD Rate Gradient
Dependence for 230ns Pulse at
Different Conditioning Time
-4
10
After 250hrs
RF Condition
After 500hrs
RF Condition
-5
10
After 900hrs
RF Condition
-6
10
G=108MV/m
BKD Rate: 1/pulse/m
BKD Rate: 1/pulse/m
10
-5
10
G=108MV/m
PW 2.4
PW 5.5
-6
10
G=110MV/m
-7
10
-7
10
100
150
200
RF Flat Top Pulse Width: ns
100
105
110
Unloaded Gradient: MV/m
After 900hrs RF condition BKD rate has a gradient dependence ~ G 32
and pulse width dependence ~ PW
6月9日 F. Wang SLAC
5.5

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