MAX IV RF Systems PPT-mall 2 Lars Malmgren On - PowerPoint PPT Presentation

MAX ¡IV ¡RF ¡Systems ¡ ¡ PPT-­‑mall ¡2 ¡ Lars ¡Malmgren ¡ On ¡Behalf ¡of ¡the ¡MAX ¡IV ¡RF ¡Group ¡ Med ¡linje ¡ Åke ¡Andersson, ¡Dionis ¡Kumbaro, ¡Per ¡Lilja, ¡Aleksandar ¡Mitrovic, ¡Robert ¡ Nilsson, ¡David ¡Olsson ¡ Lars ¡Malmgren, ¡ESS ¡Presenta7on, ¡22 ¡March ¡2013 ¡ 1 ¡

Outline ¡ • MAX ¡IV ¡overview ¡ • Linac ¡RF ¡ • Linac ¡power ¡source, ¡power ¡control ¡and ¡knobs ¡ • Linac ¡low ¡level ¡and ¡main ¡drive ¡line ¡(MDL) ¡ • RF ¡guns ¡ • Chopper ¡system ¡ • MAX ¡IV ¡Storage ¡Rings ¡RF ¡ • Digital ¡low ¡level ¡RF ¡system ¡ Lars ¡Malmgren, ¡ESS ¡Presenta7on, ¡22 ¡March ¡2013 ¡ 2 ¡

MAX ¡IV ¡– overview 300m LINAC: Injects the rings & drives femtosecond X-ray source - 2014 1.5 GeV ring (96m) - 2016 ~30 beamlines when fully equipped 3 GeV ring (528m) - 2015 World’s brigthest ring based light source Lars ¡Malmgren, ¡ESS ¡Presenta7on, ¡22 ¡March ¡2013 ¡ 3 ¡

Construc7on ¡site ¡ February ¡7, ¡2013 ¡ Lars ¡Malmgren, ¡ESS ¡Presenta7on, ¡22 ¡March ¡2013 ¡ 4 ¡

Max ¡IV ¡linac ¡RF ¡system ¡ The ¡linac ¡should ¡be ¡used ¡as ¡injector ¡for ¡both ¡the ¡1.5 ¡and ¡3 ¡GeV ¡storage ¡rings ¡ and ¡SPF ¡ ¡ 18 ¡klystrons ¡ 39 ¡linac ¡structures ¡ Two ¡electron ¡guns ¡(a ¡photo-­‑RF ¡gun ¡ and ¡a ¡thermionic ¡RF ¡gun) ¡ OperaIng ¡frequency ¡2998.5 ¡MHz ¡ Maximum ¡rep. ¡rate ¡100Hz ¡ Maximum ¡RF ¡power ¡35 ¡MW ¡ RF ¡pulse ¡length ¡4.5µs ¡ Linac ¡length ¡250 ¡m ¡ 1 ¡klystron ¡feeding ¡the ¡thermionic ¡gun (7.5MW) ¡ Operating beam energy 3 GeV Max. on-crest beam energy 3.6 GeV 44% RF power redundancy Lars ¡Malmgren, ¡ESS ¡Presenta7on, ¡22 ¡March ¡2013 ¡ 5 ¡

Max ¡IV ¡linac ¡design ¡strategies ¡ • High ¡temperature ¡stability ¡ • Modulators ¡with ¡low ¡voltage ¡pulse ¡to ¡ pulse ¡ji]er ¡ ¡ • Minimize ¡output ¡power ¡varia7ons ¡by ¡ running ¡the ¡klystrons ¡saturated ¡ • The ¡RF ¡phase ¡should ¡follow ¡the ¡linac ¡ tunnel ¡length ¡varia7ons ¡due ¡to ¡seasonal ¡ temperature ¡varia7ons ¡ Lars ¡Malmgren, ¡ESS ¡Presenta7on, ¡22 ¡March ¡2013 ¡ 6 ¡

Max ¡IV ¡linac ¡RF ¡system ¡ Random voltage and phase variationstions are reduced by one over the square root of the Main Drive Line (MDL) feeding 15 klystrons number of klystrons The linac consists of two parallel tunnels with 1.5 m concret in between. Klystron tunnel Concret Linac tunnel The wave velocity in an air-filled transmission lines is almost the same as the speed of the electrons in the linac. Length variations of the linac tunnel due to e.g. seasonal outside temperature variations will automatically be compensated for since the MDL, consisting of a rigid 1 5/8” coaxial transmission line with sliding joints, also will follow this length variations. Lars ¡Malmgren, ¡ESS ¡Presenta7on, ¡22 ¡March ¡2013 ¡ 7 ¡

Waveguids are used for high power distribution RF unit including klystron and modulator(power supply) 15 RF units feeding two accelerator Structures each 1 RF unit feeding gun and one accelerator structure 2 RF units feeding four accelerator Structures each S-­‑band ¡(2998.5 ¡MHz) ¡constant ¡gadient ¡traveling ¡ wave ¡linac ¡sec7ons ¡(5.2m). ¡ Lars ¡Malmgren, ¡ESS ¡Presenta7on, ¡22 ¡March ¡2013 ¡ 8 ¡

Linac ¡RF ¡unit ¡ v S-band RF Unit parameters RF ¡Phase ¡change ¡3-­‑4° ¡/%Vk ¡ <0.04 ¡° ¡RF ¡phase ¡pulse ¡to ¡pulse ¡ji]er ¡ Measured ¡pulse ¡to ¡pulse ¡voltage ¡varia7on ¡ ¡< ¡10 -­‑4 ¡rms ¡ Lars ¡Malmgren, ¡ESS ¡Presenta7on, ¡22 ¡March ¡2013 ¡ 9 ¡

Pulse ¡compression ¡(SLED) ¡ Waveguide input (iris) The Stanford Linac Energy Doubling (SLED) is used coupler to increase the peak power for a given total pulse energy. This is obtained by charging an overcoupled ( β≈ 6) high-Q cavity by the RF generator. The accelerating gradients integrated over a small portion of the klystron pulse durtion is almost doubled. Δφ/ΔT ¡=8°/°C ¡ TE 015 , Q ≈ 10 5 Coolingwater ¡temperatur ¡stability ¡± ¡0.02 ¡° ¡ RF ¡phase ¡stability ¡< ¡± ¡0.2° ¡ ¡ E K ¡ E L ¡ 3 ¡dB ¡Coupler ¡ 180 o ¡phase ¡ Klystron ¡ shif ¡ Accel. ¡sec7ons ¡ Cavity ¡1 ¡ Cavity ¡2 ¡ ¡ ¡ Lars ¡Malmgren, ¡ESS ¡Presenta7on, ¡22 ¡March ¡2013 ¡ 10 ¡

Output ¡power ¡from ¡SLED ¡is ¡adjusted ¡ by ¡varying ¡the ¡charging ¡7me ¡ The ¡klystrons ¡are ¡running ¡at ¡konstant ¡ Charging ¡Ime ¡ voltage ¡to ¡maintain ¡a ¡constant ¡RF ¡phase ¡ at ¡the ¡output. ¡ 3.8 ¡µs ¡ In ¡order ¡to ¡reduce ¡klystron ¡output ¡power ¡ varia7ons ¡due ¡to ¡varia7ons ¡in ¡the ¡input ¡ power ¡they ¡are ¡run ¡in ¡stura7on ¡mode. ¡ The ¡output ¡power ¡from ¡SLED ¡is ¡adjusted ¡ 3.3 ¡µs ¡ by ¡varying ¡the ¡charging ¡7me. ¡ 2.0 ¡µs ¡ SLED ¡data ¡ β=6 ¡ Q˳=10 5 ¡ Lars ¡Malmgren, ¡ESS ¡Presenta7on, ¡22 ¡March ¡2013 ¡ 11 ¡

Knobs ¡ First ¡bunch ¡compressor ¡ ¡ Availabe ¡adjustments, ¡the ¡first ¡four ¡RF ¡units ¡ 1. LINAC ¡input ¡power ¡(SLED ¡charging ¡7me) ¡ 2. LINAC ¡phase ¡ These ¡kobs ¡will ¡be ¡used ¡for ¡phase ¡and ¡energy ¡feedback ¡ Lars ¡Malmgren, ¡ESS ¡Presenta7on, ¡22 ¡March ¡2013 ¡ 12 ¡

Feedback ¡ Energy ¡measurement ¡by ¡BPM ¡at ¡a ¡dispersive ¡region ¡ Bunch ¡length ¡measurement ¡by ¡electro-­‑op7cal ¡crystal ¡and ¡THz-­‑SR ¡ Feedback ¡of ¡the ¡first ¡two ¡accelera7on ¡sec7ons ¡ Bunch ¡compressor ¡1 ¡ Energy ¡measurement ¡by ¡BPM ¡ Bunch ¡length ¡by ¡a ¡electro-­‑op7cal ¡crystal ¡ ¡ Feedback ¡for ¡the ¡rest ¡of ¡the ¡linac ¡(MDL) ¡ Bunch ¡compressor ¡2 ¡ Energy ¡measurement ¡by ¡BPM ¡ Bunch ¡length ¡by ¡THz-­‑SR ¡gives ¡a ¡rela7ve ¡value. ¡Sufficient ¡to ¡stabilize ¡the ¡MDL ¡ Alterna7vely, ¡use ¡some ¡of ¡the ¡bunches ¡as ¡a ¡probe ¡to ¡check ¡the ¡phase/chirp ¡ E ¡ Δ ¡Ε ¡ t ¡ Δφ ¡ Lars ¡Malmgren, ¡ESS ¡Presenta7on, ¡22 ¡March ¡2013 ¡ 13 ¡

MDL ¡ MDL ¡feeding ¡15 ¡klystrons ¡ ¡ The ¡MDL ¡input ¡RF ¡power ¡taken ¡from ¡the ¡fourth ¡klystron ¡is ¡ ¡90 ¡kW ¡ The ¡transmission ¡line ¡pressure(nitrogen) ¡is ¡regulated ¡to ¡ compensate ¡for ¡ ¡propaga7on ¡varia7ons ¡due ¡to ¡pressure ¡ change ¡ Adjustable ¡direc7onal ¡couplers ¡ Fixed ¡to ¡the ¡linac ¡tunnel ¡wall ¡at ¡each ¡accelera7ng ¡sec7on ¡ Sliding ¡joints ¡ Connected ¡together ¡with ¡pressure ¡regulated ¡1 ¡5/8” ¡EIA ¡rigid ¡line ¡ Lars ¡Malmgren, ¡ESS ¡Presenta7on, ¡22 ¡March ¡2013 ¡ 14 ¡

Photocathode ¡and ¡Therimionic ¡RF ¡guns ¡ RF ¡and ¡mechanical ¡ design ¡made ¡by ¡E. ¡Elafifi ¡ The ¡linac ¡consists ¡of ¡two ¡electron ¡guns. ¡A ¡photo-­‑ RF ¡gun ¡for ¡short ¡pulse ¡facility ¡(SPF) ¡pulses ¡and ¡a ¡ thermionic ¡RF ¡gun ¡for ¡storage ¡ring ¡injec7on ¡ Lars ¡Malmgren, ¡ESS ¡Presenta7on, ¡22 ¡March ¡2013 ¡ 15 ¡

Kicker ¡system ¡ ¡ ¡ • The ¡thermionic ¡gun ¡will ¡only ¡be ¡used ¡for ¡ring ¡injec7ons. ¡ • The ¡bunches ¡are ¡leaving ¡the ¡gun ¡with ¡a ¡period ¡of ¡333 ¡ps ¡(3 ¡GHz). ¡ • Storage ¡ring ¡are ¡opera7ng ¡at ¡100 ¡MHz. ¡ Injec7on ¡bunch ¡train ¡structure ¡ • A ¡bunch ¡train ¡should ¡consist ¡of ¡3 ¡bunches, ¡appearing ¡with ¡a ¡period ¡of ¡10 ¡ns ¡ (100 ¡MHz). ¡ • 10 ¡bunch ¡trains ¡during ¡one ¡LINAC ¡shot. ¡ ¡ 10 ¡ns ¡ 333 ¡ps ¡ Lars ¡Malmgren, ¡ESS ¡Presenta7on, ¡22 ¡March ¡2013 ¡ 16 ¡