Mul$pac$ng ¡simula$on ¡of ¡MICE ¡ 201 ¡MHz ¡cavity ¡ Tianhuan ¡Luo ¡ 1 ¡
Mul$pac$ng ¡ • Mul$pac$ng: ¡a ¡phenomenon ¡in ¡RF ¡device ¡when ¡secondary ¡ electron ¡emission ¡in ¡resonance ¡with ¡an ¡alterna$ng ¡electric ¡ field ¡leads ¡to ¡exponen$al ¡electron ¡mul$plica$on, ¡possibly ¡ damaging ¡and ¡even ¡destroying ¡the ¡RF ¡device. ¡ • Secondary ¡emission ¡yield ¡(SEY): ¡the ¡number ¡of ¡secondary ¡ electrons ¡emiNed ¡per ¡incident ¡par$cle, ¡strongly ¡depends ¡ on ¡the ¡surface ¡material ¡and ¡treatment. ¡ The ¡secondary ¡electron ¡yield ¡of ¡thechnical ¡materials ¡and ¡its ¡varia3on ¡with ¡surface ¡treatments , ¡V.Baglin ¡etc ¡ 2 ¡
SLAC ¡ACE3P ¡for ¡Mul$pac$ng ¡Simula$on ¡ • Omega3P/S3P: ¡calculate ¡the ¡EM ¡field ¡in ¡the ¡cavity ¡with ¡high ¡ resolu$on. ¡ ¡ ¡ • Track3P: ¡launch ¡electrons ¡from ¡the ¡cavity ¡surface, ¡track ¡ their ¡mo$on ¡in ¡RF ¡field ¡& ¡external ¡E/B ¡field, ¡and ¡iden$fy ¡ MP ¡electrons ¡with ¡the ¡SEY ¡informa$on ¡input. ¡ ¡ • Bench ¡marked ¡with ¡theory ¡and ¡experiment ¡results ¡ ICHIRO ¡Cavity ¡ Coaxial ¡Waveguide ¡ Track3P MP simulation ICHIRO #0 (K. Saito,KEK) Impact Energy (eV) Gradient X-ray Barriers (MV/m) MP ¡in ¡coaxial ¡waveguide, ¡which ¡ (MV/m) can ¡be ¡solved ¡analy$cally. ¡ 300-400(6 order) 12 11-29.3 12-18 200-500 (5 order) 14 13, 14, 14-18, 13-27 Mul3pac3ng ¡simula3on ¡Using ¡ 300-500( 3 order) 17 (17, 18) Parallel ¡code ¡Track3p , ¡Lixin ¡Ge ¡ 300-900( 3 order) 21.2 20.8 3 ¡ 600-1000(1.5 order) 29.4 28.7, 29.0, 29.3, 29.4
MICE ¡201 ¡MHz ¡Cavity ¡ • The ¡model ¡is ¡derived ¡from ¡CAD ¡drawing ¡provided ¡by ¡ Allan ¡DeMello. ¡ • Include ¡the ¡extrusion ¡ports, ¡RF ¡coupler, ¡coaxial ¡ waveguide ¡and ¡curved ¡Beryllium ¡windows. ¡ 4 ¡
Omega3P ¡simula$on ¡results ¡ B ¡magnitude ¡on ¡the ¡RF ¡coupler ¡surface ¡ Ez ¡on ¡the ¡cavity ¡surface ¡ f0=201.901 ¡MHz, ¡Q0=51656 ¡ Cri$cal ¡coupling ¡is ¡achieved ¡with ¡15 ¡degree ¡ coupling ¡angle ¡( ¡90 ¡degree ¡corresponds ¡to ¡ maximum ¡coupling). ¡ ¡ ¡ Ez ¡along ¡the ¡beam ¡axis ¡ Ez ¡along ¡the ¡cavity ¡radial ¡direc$on ¡ 5 ¡
External ¡B ¡field ¡Map ¡ • The ¡MICE ¡Cavi$es ¡are ¡operated ¡in ¡a ¡series ¡of ¡ superconduc$ng ¡solenoids. ¡Strong ¡external ¡magne$c ¡field ¡ will ¡change ¡the ¡MP ¡significantly. ¡ • The ¡external ¡B ¡field ¡mapping ¡is ¡provided ¡by ¡Heng ¡Pan, ¡ ¡ which ¡includes ¡all ¡the ¡coils ¡in ¡CC ¡module, ¡AFC ¡module ¡and ¡ SS ¡module. ¡Four ¡different ¡B ¡field ¡configura$ons ¡for ¡MICE ¡ opera$on. ¡ ¡ ¡ Four ¡Cavi$es ¡in ¡a ¡ CC ¡module ¡ B ¡field ¡plot ¡at ¡r=0 ¡(center), ¡r=0.6 ¡m ¡(RF ¡coupler) ¡and ¡r=1.2 ¡m ¡(RF ¡window). ¡ 6 ¡
MP ¡results ¡(1): ¡coaxial ¡waveguide ¡ Without ¡external ¡B ¡ With ¡external ¡B ¡ Impact ¡Posi$on: ¡green ¡without ¡B ¡field, ¡ magenta ¡with ¡B ¡field. ¡ 7 ¡
MP ¡results(2): ¡cavity ¡body ¡ Without ¡external ¡B ¡ With ¡external ¡B ¡ Impact ¡Posi$on: ¡green ¡without ¡B ¡field, ¡ magenta ¡with ¡B ¡field. ¡ 8 ¡
MP ¡results ¡(3): ¡RF ¡coupler ¡region ¡ Electron ¡ drid ¡into ¡ Without ¡external ¡B ¡ waveguide ¡ Resonant ¡ electrons ¡ between ¡ With ¡external ¡B ¡ strip ¡and ¡ cavity ¡wall ¡ Impact ¡Posi$on: ¡green ¡without ¡B ¡field, ¡ magenta ¡with ¡B ¡field. ¡ 9 ¡
A ¡new ¡RF ¡coupler ¡design ¡ APEX ¡originally ¡used ¡the ¡same ¡coupler ¡as ¡the ¡old ¡201 ¡MHz ¡Mucool ¡ • prototype ¡cavity, ¡had ¡mul$pac$ng ¡(excess ¡hea$ng ¡at ¡waveguide) ¡and ¡ needed ¡external ¡solenoid ¡field ¡to ¡overcome ¡MP ¡barrier. ¡Eventually ¡the ¡ vacuum ¡leaks ¡at ¡coupler ¡water ¡cooling ¡loop. ¡Observed ¡severe ¡hea$ng ¡and ¡ damage ¡at ¡coupler ¡ader ¡opening ¡the ¡cavity. ¡ New ¡APEX ¡coupler ¡design: ¡get ¡rid ¡of ¡the ¡strip, ¡shorter ¡the ¡coaxial ¡ • waveguide, ¡thicken ¡the ¡cooling ¡tube ¡wall, ¡and ¡Ti-‑Ni ¡the ¡whole ¡coupler ¡and ¡ waveguide. ¡Runs ¡smoothly ¡up ¡to ¡CW ¡60 ¡KW ¡per ¡coupler ¡and ¡keeps ¡on ¡ running ¡for ¡days. ¡No ¡mul$pac$ng ¡observed ¡at ¡coupler. ¡ ¡ ¡ New ¡coupler ¡model ¡for ¡simula$on, ¡ CAD ¡drawing ¡of ¡new ¡APEX ¡coupler ¡ based ¡on ¡Allan’s ¡drawing ¡ 10 ¡
Simula$on ¡with ¡new ¡coupler ¡ f0=201.900 ¡MHz, ¡Q0=51675 ¡ Cri$cal ¡coupling ¡is ¡achieved ¡with ¡16 ¡degree ¡ coupling ¡angle ¡( ¡90 ¡degree ¡corresponds ¡to ¡ maximum ¡coupling). ¡ ¡ ¡ 11 ¡
MP ¡at ¡new ¡coupler ¡region ¡ Without ¡external ¡B ¡ With ¡external ¡B ¡ Impact ¡Posi$on: ¡green ¡without ¡B ¡field, ¡ magenta ¡with ¡B ¡field. ¡ The ¡simula$on ¡shows ¡just ¡removing ¡ the ¡strip ¡doesn’t ¡help ¡to ¡resolve ¡the ¡ mul$pac$ng ¡at ¡the ¡coupler, ¡ especially ¡with ¡external ¡B ¡field. ¡ 12 ¡
Summary ¡ • Build ¡up ¡the ¡cavity ¡model ¡from ¡CAD ¡drawing. ¡ • Include ¡the ¡external ¡B ¡filed ¡map. ¡ • Study ¡the ¡MP ¡in ¡the ¡coaxial ¡waveguide, ¡cavity ¡ body ¡and ¡coupler ¡region. ¡ • Study ¡the ¡MP ¡of ¡a ¡new ¡coaxial ¡coupler. ¡ • Next: ¡analyze ¡the ¡MP ¡electrons’ ¡trajectories, ¡ scan ¡the ¡B ¡field, ¡study ¡cavity ¡at ¡other ¡ posi$ons. ¡ 13 ¡
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