Analyze Breakdown in All Seasons Cavity K. Yonehara - PowerPoint PPT Presentation

A c c e l e n r o a u t M o r P m r o a g r Analyze ¡Breakdown ¡in ¡ ¡ All ¡Seasons ¡Cavity ¡ K. ¡Yonehara ¡ APC, ¡Fermilab ¡ MAP ¡2014 ¡Spring ¡MeeEng, ¡ ¡Fermilab, ¡May ¡27-­‑31, ¡2014 ¡ ¡ 1 ¡

A c c e l e n r o a u t IntroducEon ¡ M o r • All ¡Seasons ¡Cavity ¡(ASC) ¡test ¡is ¡very ¡special ¡ P m r o a g r – Longer ¡acceleraEng ¡gap ¡(L ¡= ¡150 ¡mm) ¡than ¡usual ¡(L ¡= ¡100 ¡mm) ¡ – OperaEng ¡rep ¡rate ¡(1 ¡Hz) ¡is ¡very ¡low ¡to ¡avoid ¡heaEng ¡ – Limited ¡breakdown ¡event ¡to ¡avoid ¡unrecoverable ¡damage ¡ – As ¡a ¡result, ¡we ¡could ¡see ¡a ¡unique ¡breakdown ¡result ¡ ¡ ¡ • Analyze ¡breakdown ¡process ¡in ¡the ¡ASC ¡ ¡ – Study ¡electron ¡dynamics ¡in ¡such ¡a ¡long ¡acceleraEng ¡gap ¡ – Breakdown ¡pit ¡analysis ¡ • ¡No ¡visible ¡BD ¡damage ¡on ¡ ¡ ¡ ¡the ¡power ¡coupler ¡ ¡ ¡ ¡aWer ¡the ¡December ¡test ¡ Update ¡All ¡Seasons ¡Cavity ¡Test, ¡ 2 ¡ MAP ¡Spring ¡MeeEng ¡2014, ¡K. ¡Yonehara ¡

A c c e l e n r o a u t M o r Profile ¡of ¡ASC ¡ Result ¡from ¡Dec. ¡‘13 ¡run ¡ P m Maximum ¡surface ¡gradient ¡at ¡iris ¡(MV/m) ¡ r o a g r f ¡= ¡800 ¡MHz ¡ E iris ¡ Power ¡coupler ¡ 5.724” ¡ Iris ¡gap ¡ 2.894” ¡ L ¡= ¡130 ¡mm ¡ RF ¡gap ¡ L ¡= ¡150 ¡mm ¡ SS ¡Thickness ¡2.6” ¡ E iris > E RF MagneEc ¡field ¡(T) ¡ Cu ¡plated ¡ SS ¡Thickness ¡1.5” ¡ 1.4 1.2 RF ¡gap ¡(L ¡= ¡150 ¡mm) ¡ 1.0 Field ¡enhancement: ¡ ¡ Iris ¡gap ¡(L ¡= ¡130 ¡mm) ¡ E @ arb. D 0.8 • ¡Surface ¡grad ¡at ¡RF ¡gap ¡= ¡1.25 ¡ 0.6 • ¡Surface ¡grad ¡at ¡iris ¡gap ¡= ¡1.42 ¡ Ez ¡field ¡profile ¡ 0.4 Thus, ¡the ¡observed ¡maximum ¡gap ¡22 ¡MV/m ¡(iris) ¡ (Ez ¡>> ¡Er) ¡ 0.2 corresponds ¡to ¡19.4 ¡MV/m ¡on ¡the ¡RF ¡gap ¡surface ¡ 0.0 - 6 - 4 - 2 0 2 4 6 z H cm L Update ¡All ¡Seasons ¡Cavity ¡Test, ¡ 3 ¡ MAP ¡Spring ¡MeeEng ¡2014, ¡K. ¡Yonehara ¡

A c c e l e n r o a u t M o r Electron ¡dynamics ¡ P m r o a g r • ¡Consider ¡only ¡surface ¡emission ¡electrons ¡ • ¡Electrons ¡are ¡accelerated ¡by ¡RF ¡field ¡ e ¡ ¡ ( ) ( ) = cE 0 sin 2 π ft + φ 0 1 − β 2 t 3/2 ( ) ¡ ( ) β t ! RF ¡field ¡ m e ¡ • ¡They ¡arrive ¡at ¡other ¡RF ¡wall ¡and ¡release ¡ ¡ ¡ ¡ ¡their ¡kineEc ¡energy ¡as ¡an ¡impact ¡energy ¡ ( ) m e K = γ − 1 Fowler-­‑Noldheim ¡formula ¡ 0.001 2 " % 5 ¥ 10 - 4 Exp − B fn φ 3/2 ( ) ) = A fn β E Current Density ( i β E $ ' 2 ¥ 10 - 4 β E φ # & E ¡= ¡22 ¡MV/m ¡ 1 ¥ 10 - 4 A fn ¡= ¡1.54e6 ¡eV ¡A ¡MV -­‑2 ¡ 5 ¥ 10 - 5 Impact ¡energy ¡ B fn ¡= ¡ ¡6830 ¡MV ¡m -­‑1 ¡ eV -­‑3/2 ¡ Work ¡funcEon ¡= ¡5 ¡eV ¡ 2 ¥ 10 - 5 ( ) = i β E ( ) K E ( ) p E β ¡= ¡100 ¡ 1 ¥ 10 - 5 0.10 0.15 0.20 0.30 0.50 0.70 1.00 RF phase H ¥ p ê 2 rad L Update ¡All ¡Seasons ¡Cavity ¡Test, ¡ 4 ¡ MAP ¡Spring ¡MeeEng ¡2014, ¡K. ¡Yonehara ¡

A c c e l e n r o a u t M o r Calculate ¡kineEc ¡energy ¡of ¡electron ¡arriving ¡at ¡ ¡ other ¡RF ¡window ¡as ¡a ¡funcEon ¡of ¡iniEal ¡RF ¡phase ¡ P m r o a g r Iris ¡gap ¡ RF ¡gap ¡ 3.0 3.0 Surface ¡gradient ¡at ¡iris ¡ Surface ¡gradient ¡at ¡iris ¡ 2.5 22 ¡MV/m ¡(Blue) ¡ ¡ 2.5 22 ¡MV/m ¡(Blue) ¡ ¡ 21 ¡MV/m ¡(Magenta) ¡ 21 ¡MV/m ¡(Magenta) ¡ 2.0 20 ¡MV/m ¡(Yellow) ¡ 2.0 20 ¡MV/m ¡(Yellow) ¡ K H MeV L K H MeV L 19 ¡MV/m ¡(Green) ¡ 19 ¡MV/m ¡(Green) ¡ 1.5 1.5 1.0 1.0 0.5 0.5 0.0 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 RF phase H ¥ p ê 2 rad L RF phase H ¥ p ê 2 rad L • ¡KineEc ¡energy ¡in ¡the ¡RF ¡gap ¡is ¡~ ¡20 ¡% ¡higher ¡than ¡that ¡at ¡the ¡iris ¡ • ¡KineEc ¡energy ¡in ¡the ¡RF ¡gap ¡is ¡zero ¡at ¡iniEal ¡RF ¡phase ¡ π /2 ¡ ¡ ¡ ¡ ▷ ¡Electrons ¡cannot ¡reach ¡to ¡other ¡RF ¡window ¡at ¡this ¡phase ¡ • ¡Ignore ¡electrons ¡which ¡is ¡emiled ¡at ¡zero ¡iniEal ¡RF ¡phase ¡ ¡ ¡ ¡ ▷ ¡FN ¡shows ¡no ¡dark ¡current ¡generated ¡at ¡zero ¡RF ¡phase ¡ Update ¡All ¡Seasons ¡Cavity ¡Test, ¡ 5 ¡ MAP ¡Spring ¡MeeEng ¡2014, ¡K. ¡Yonehara ¡

A c c e l e n r o a u t M o r Calculate ¡Impact ¡energy ¡of ¡electron ¡arriving ¡at ¡ ¡ other ¡RF ¡window ¡as ¡a ¡funcEon ¡of ¡iniEal ¡RF ¡phase ¡ P m r o a g r Iris ¡gap ¡ RF ¡gap ¡ 100 100 Surface ¡gradient ¡at ¡iris ¡ Impact Energy H J ê mm 2 L Impact energy H J ê mm 2 L 22 ¡MV/m ¡(Blue) ¡ ¡ 21 ¡MV/m ¡(Magenta) ¡ 1 1 20 ¡MV/m ¡(Yellow) ¡ 19 ¡MV/m ¡(Green) ¡ 0.01 0.01 Surface ¡gradient ¡at ¡iris ¡ 22 ¡MV/m ¡(Blue) ¡ ¡ 10 - 4 10 - 4 21 ¡MV/m ¡(Magenta) ¡ 20 ¡MV/m ¡(Yellow) ¡ 19 ¡MV/m ¡(Green) ¡ 10 - 6 10 - 6 0.2 0.4 0.6 0.8 0.2 0.4 0.6 0.8 RF phase H ¥ p ê 2 rad L RF phase H ¥ p ê 2 rad L • ¡Impact ¡energy ¡at ¡the ¡iris ¡gap ¡is ¡two ¡orders ¡of ¡magnitude ¡larger ¡than ¡that ¡at ¡the ¡RF ¡gap! ¡ • ¡Maximum ¡impact ¡energy ¡is ¡happened ¡at ¡the ¡iniEal ¡RF ¡phase ¡45 ¡degrees ¡ If ¡this ¡analysis ¡model ¡is ¡true, ¡then ¡the ¡most ¡breakdown ¡events ¡should ¡be ¡ ¡ ¡ taken ¡place ¡at ¡the ¡iris ¡gap!! ¡ ¡ ↔ ¡However, ¡the ¡breakdown ¡pit ¡distribuEon ¡does ¡not ¡support ¡the ¡model… ¡ Update ¡All ¡Seasons ¡Cavity ¡Test, ¡ 6 ¡ MAP ¡Spring ¡MeeEng ¡2014, ¡K. ¡Yonehara ¡

A c c e l e n r o a u t M o r Why ¡impact ¡energy ¡at ¡iris ¡gap ¡is ¡so ¡large? ¡ P m r o a g r Surface ¡grad ¡at ¡the ¡iris ¡is ¡15 ¡% ¡higher ¡than ¡that ¡at ¡the ¡RF ¡one. ¡ If ¡the ¡field ¡enhancement ¡factor ¡ β ¡is ¡uniform ¡in ¡the ¡cavity ¡the ¡ ¡ breakdown ¡probability ¡at ¡iris ¡is ¡the ¡highest. ¡ ¡ However, ¡if ¡the ¡field ¡enhancement ¡becomes ¡low ¡by ¡15 ¡% ¡at ¡the ¡ ¡ iris ¡during ¡condiEoning ¡what ¡happen ¡then? ¡ β E ¡becomes ¡equal ¡between ¡at ¡the ¡RF ¡gap ¡and ¡at ¡the ¡iris ¡so ¡that ¡ ¡ the ¡breakdown ¡could ¡take ¡place ¡at ¡the ¡RF ¡gap. ¡ Update ¡All ¡Seasons ¡Cavity ¡Test, ¡ 7 ¡ MAP ¡Spring ¡MeeEng ¡2014, ¡K. ¡Yonehara ¡

A c c e l e n r o a u t M o Breakdown ¡Pits ¡are ¡found ¡ ¡ r everywhere ¡in ¡ASC ¡ P m r o a g r RF ¡gap ¡ Iris ¡gap ¡ Downstream ¡plate ¡ Upstream ¡plate ¡ We ¡can ¡see ¡a ¡breakdown ¡pit ¡at ¡the ¡RF ¡gap ¡as ¡well ¡as ¡at ¡the ¡iris ¡gap ¡ Update ¡All ¡Seasons ¡Cavity ¡Test, ¡ 8 ¡ MAP ¡Spring ¡MeeEng ¡2014, ¡K. ¡Yonehara ¡

A c c e l e n r o a u t IdenEfy ¡BD ¡pits ¡ M o r Limited ¡the ¡number ¡of ¡breakdown ¡events ¡to ¡avoid ¡unrecoverable ¡damage ¡ → ¡We ¡can ¡idenEfy ¡a ¡pair ¡of ¡breakdown ¡pits ¡on ¡both ¡end ¡plates ¡ P m r o a g r Upstream ¡plate ¡(flipped) ¡ Downstream ¡plate ¡ Update ¡All ¡Seasons ¡Cavity ¡Test, ¡ 9 ¡ MAP ¡Spring ¡MeeEng ¡2014, ¡K. ¡Yonehara ¡

A c c e l e n r Red: ¡Downstream ¡plate ¡ o a u t M o Blue: ¡Upstream ¡plate ¡ r Map ¡breakdown ¡pits ¡ P m r o a g r In ¡fact, ¡the ¡pit ¡is ¡uniformly ¡distributed ¡ We ¡also ¡noEced ¡that ¡the ¡pit ¡pair ¡has ¡ ¡ two ¡orientaEons ¡ The ¡pit ¡pair ¡which ¡has ¡~ ¡60 ¡degrees ¡ seems ¡to ¡be ¡distributed ¡on ¡the ¡iris ¡ ¡ gap ¡ ¡ Update ¡All ¡Seasons ¡Cavity ¡Test, ¡ 10 ¡ MAP ¡Spring ¡MeeEng ¡2014, ¡K. ¡Yonehara ¡