Propose fast electron counter in MTA RF test K. Yonehara - PowerPoint PPT Presentation

Propose ¡fast ¡electron ¡counter ¡in ¡ MTA ¡RF ¡test ¡ K. ¡Yonehara ¡and ¡A. ¡Tollestrup ¡ APC, ¡Fermilab ¡ 1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 1 ¡

Task ¡of ¡the ¡project ¡ • RF ¡caviFes ¡should ¡be ¡operated ¡in ¡magnets ¡for ¡muon ¡ ionizaFon ¡cooling ¡ ¡ • Understand ¡the ¡mechanism ¡of ¡RF ¡breakdown ¡ – Maximum ¡RF ¡gradient ¡is ¡limited ¡by ¡external ¡magneFc ¡fields ¡ Result ¡in ¡805 ¡MHz ¡Test ¡cavity ¡(Dec. ¡’13) ¡ 805 ¡MHz ¡Test ¡cavity ¡ Maximum ¡surface ¡gradient ¡at ¡iris ¡(MV/m) ¡ Power ¡coupler ¡ 5.724” ¡ Iris ¡gap ¡ 2.894” ¡ L ¡= ¡130 ¡mm ¡ RF ¡gap ¡ Max. ¡RF ¡grad. ¡> ¡25 ¡MV/m ¡@ ¡B ¡= ¡0 ¡T ¡ → ¡20 ¡MV/m ¡@ ¡B ¡> ¡0.25 ¡T ¡ L ¡= ¡150 ¡mm ¡ SS ¡Thickness ¡2.6” ¡ E iris > E RF MagneFc ¡field ¡(T) ¡ SS ¡Thickness ¡1.5” ¡ 1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 2 ¡

One ¡hypothesis ¡ All-­‑Seasons ¡cavity ¡ ¡ = ¡805 ¡MHz ¡Test ¡cell ¡ 1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 3 ¡

Present ¡test ¡vehicle ¡ ¡ “MICE ¡201 ¡MHz ¡RF ¡Cell” ¡ Be ¡window ¡(thickness ¡0.38 ¡mm) ¡ Single ¡cavity ¡vessel ¡at ¡Mucool ¡Test ¡Area ¡ 1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 4 ¡

Detector ¡configuraFon ¡in ¡past ¡ Tektronix ¡DPO7000 ¡ Lecroy ¡wave ¡runner ¡625 ¡Zi ¡ Fme ¡res. ¡= ¡0.2 ¡ns ¡ ~25 ¡pts ¡per ¡RF ¡cycle ¡ Fme ¡res. ¡= ¡5 ¡ns ¡ ~1 ¡pt ¡per ¡RF ¡cycle ¡ RF ¡reflected ¡power ¡signal ¡ Wave ¡Guide ¡(470’) ¡ 7835 ¡Triode ¡ PMT ¡( τ ¡= ¡0.5 ¡ns) ¡ 5 ¡MW ¡Amp ¡ + ¡Modulator ¡ ¡ DirecFonal ¡ coupler ¡ RF ¡reflected ¡power ¡signal ¡ PlasFc ¡counter ¡ RF ¡forward ¡power ¡signal ¡ ( τ ¡= ¡10 ¡ns) ¡ RF ¡pickup ¡signal ¡ 1 ¡m ¡ NaI ¡crystal ¡ 1 ¡m ¡ 201 ¡MHz ¡ MICE ¡RF ¡ * ¡Use ¡Copper ¡RF ¡window ¡for ¡this ¡test ¡ * ¡No ¡magneFc ¡field ¡in ¡this ¡run ¡ 1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 5 ¡

Past ¡analysis ¡of ¡RF ¡signal ¡ RF ¡pickup ¡signal ¡at ¡electric ¡breakdown ¡ RF ¡signal ¡shows ¡the ¡phase ¡shin ¡during ¡ Blue Reference, Red Data Blue Reference, Red Data Blue Reference, Red Data the ¡electric ¡breakdown ¡(BD) ¡ at t = 281. � Sec at t = 281.5 � Sec at t = 282. � Sec 0.6 0.6 0.6 0.4 0.4 0.4 � � � � Phase relative to reference wave in BD region. 0.2 0.2 0.2 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 The exponential fit has � = 1 � Sec - 0.2 - 0.2 - 0.2 - 0.4 - 0.4 - 0.4 - 0.6 - 0.6 - 0.6 1.0 Blue Reference, Red Data Blue Reference, Red Data Blue Reference, Red Data at t = 282.5 � Sec at t = 283. � Sec at t = 283.5 � Sec 0.8 0.6 0.6 0.6 0.4 0.4 0.4 � � � 0.2 0.2 0.2 0.6 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 - 0.2 - 0.2 - 0.2 - 0.4 - 0.4 - 0.4 - 0.6 - 0.6 - 0.6 0.4 Blue Reference, Red Data Blue Reference, Red Data Blue Reference, Red Data 0.2 at t = 284. � Sec at t = 284.5 � Sec at t = 285. � Sec 0.6 0.6 0.6 0.4 0.4 0.4 � � � 0.2 0.2 0.2 0.0 283 284 285 286 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 - 0.2 - 0.2 - 0.2 Fme ¡[ µ s] ¡ - 0.4 - 0.4 - 0.4 - 0.6 - 0.6 - 0.6 d ϕ rf ¡phase /dt ¡= ¡2 π x ¡RF ¡frequency ¡shin ¡ Blue Reference, Red Data Blue Reference, Red Data Blue Reference, Red Data Freq shift vs time at t = 285.5 � Sec at t = 286. � Sec at t = 286.5 � Sec 5 × 10 5 0.6 0.6 0.6 0.4 0.4 0.4 � � � 0.2 0.2 0.2 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 - 0.2 - 0.2 - 0.2 1 × 10 5 - 0.4 - 0.4 - 0.4 - 0.6 - 0.6 - 0.6 5 × 10 4 Blue Reference, Red Data Blue Reference, Red Data Blue Reference, Red Data at t = 287. � Sec at t = 287.5 � Sec at t = 288. � Sec 0.6 0.6 0.6 1 × 10 4 0.4 0.4 0.4 � � � 0.2 0.2 0.2 5000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 - 0.2 - 0.2 - 0.2 - 0.4 - 0.4 - 0.4 - 0.6 - 0.6 - 0.6 1000 ����� ���� ����� �������� ������ ��������� 282 283 284 285 286 287 1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 6 ¡

EsFmated ¡current ¡ Resistive current, amps vs t electrons per 1 / 2 cycle during discharge 100 10 12 Current ¡ ¡ = ¡peak ¡RF ¡voltage/Shunt ¡impedance ¡ 10 10 11 1 10 10 0.100 10 9 0.010 10 8 0.001 10 7 270 275 280 285 270 275 280 285 Fme ¡[ µ s] ¡ Fme ¡[ µ s] ¡ * ¡Number ¡of ¡electrons ¡in ¡the ¡cavity ¡is ¡~10 8 ¡electrons/half ¡RF ¡cycle ¡and ¡ ¡ ¡ ¡it ¡grows ¡10 12 ¡ electrons/half ¡RF ¡cycle! ¡ ¡ * ¡Since ¡the ¡kineFc ¡energy ¡of ¡electron ¡at ¡large ¡number ¡of ¡electrons ¡range ¡ ¡ ¡ ¡is ¡so ¡low ¡that ¡the ¡significant ¡amount ¡of ¡electrons ¡can ¡be ¡ranged ¡out. ¡ * ¡We ¡consider ¡the ¡number ¡of ¡electrons ¡which ¡is ¡penetrated ¡through ¡the ¡ ¡ ¡ ¡ ¡vacuum ¡vessel ¡is ¡10 9 ¡~ ¡10 11 ¡electrons/half ¡RF ¡cycle. ¡ 1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 7 ¡

InteresFng ¡physics ¡ ¡ by ¡using ¡fast ¡electron ¡counter ¡ • RF ¡cycle ¡is ¡~ ¡5 ¡ns ¡while ¡the ¡Fme ¡resoluFon ¡of ¡ the ¡oscilloscope ¡is ¡0.2 ¡ns, ¡thus ¡we ¡can ¡see ¡25 ¡ pts ¡per ¡RF ¡cycle ¡ • If ¡we ¡have ¡a ¡fast ¡electron ¡detector ¡(t ¡< ¡1 ¡ns) ¡ we ¡can ¡see ¡the ¡Fme ¡domain ¡dark ¡current ¡vs ¡ RF ¡phase ¡as ¡a ¡funcFon ¡of ¡peak ¡RF ¡gradient ¡ • No ¡one ¡never ¡make ¡such ¡a ¡measurement ¡ 1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 8 ¡

Present ¡201 ¡MHz ¡RF ¡for ¡next ¡run ¡ Assemble ¡201 ¡MHz ¡RF ¡ ¡ Assemble ¡end ¡plate ¡ in ¡a ¡vacuum ¡vessel ¡ Faraday ¡cup ¡(downstream ¡end ¡plate) ¡ ¡ T-­‑connector ¡ Connect ¡waveguides ¡ NaI ¡crystal ¡ ¡ (in ¡upstream ¡magnet) ¡ ¡ Downstream ¡endplate ¡ ¡ (no ¡Faraday ¡cup) ¡ PlasFc ¡counter ¡(downstream) ¡ ¡ 1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 9 ¡

Be ¡window ¡ Open ¡hole ¡on ¡downstream ¡end ¡plate ¡ Replace ¡to ¡Be ¡window ¡ Copper ¡RF ¡window ¡is ¡seen ¡ thickness ¡is ¡0.38 ¡mm ¡ 1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 10 ¡

Electron ¡range ¡in ¡Be ¡ Range,cm as function of Energy MeV 5 1 0.500 Range ¡is ¡much ¡longer ¡than ¡the ¡ ¡ thickness ¡of ¡Be ¡window ¡at ¡k ¡> ¡1 ¡MeV. ¡ 0.100 0.050 0.010 0.005 0.05 0.10 0.50 1 5 10 Even ¡there ¡are ¡more ¡materials ¡between ¡the ¡RF ¡test ¡cavity ¡and ¡the ¡ electron ¡counter ¡a ¡large ¡amount ¡of ¡electrons ¡can ¡penetrate ¡through ¡them. ¡ 1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 11 ¡

What ¡we ¡propose ¡for ¡very ¡near ¡future ¡ test ¡(Early ¡February ¡2015) ¡ “Quick ¡and ¡Dirty” ¡ We ¡have ¡all ¡devices ¡and ¡materials ¡ Faraday ¡cup ¡ Set ¡two ¡idenFcal ¡fast ¡plasFc ¡counter ¡ on ¡both ¡ends ¡to ¡measure ¡the ¡relaFve ¡ ¡ Fast ¡plasFc ¡counter ¡ 201 ¡MHz ¡ Fming ¡of ¡dark ¡currents ¡ Fast ¡plasFc ¡counter ¡ MICE ¡RF ¡ ( τ ¡is ¡1~2 ¡ns) ¡ However, ¡it ¡is ¡ Vacuum ¡vessel ¡ * ¡Limit ¡Fming ¡resoluFon ¡ * ¡Cannot ¡disFnguish ¡between ¡electron ¡ ¡ ¡ ¡and ¡X-­‑ray ¡ 1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 12 ¡

Improve ¡measurement ¡ ¡ (Spring ¡2015) ¡ Clearly ¡see ¡the ¡Fming ¡correlaFon ¡ Faraday ¡cup ¡ between ¡dark ¡current ¡and ¡RF ¡phase ¡ Fast ¡electron ¡counter ¡ 201 ¡MHz ¡ MCP ¡base ¡electron ¡counter ¡ MICE ¡RF ¡ ( τ ¡<< ¡1 ¡ns) ¡ Vacuum ¡vessel ¡ 1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 13 ¡