Cavità risonanti superconduttive: Alcuni concetti base - INFN-LNL

rf
Cavità risonanti superconduttive:
Alcuni concetti base
A.M. Porcellato
!
Accoppiamento della cavità
!
Fattore di qualità
!
Guadagno di energia
!
Multipacting
Corso Macchine Acceleratrici 9/1/03
1
rf
Accoppiamento della cavità
!
!
!
!
!
!
A.M. Porcellato
Le porte della cavità
Gli accoppiatori
Riempire la cavità
Accoppiamento critico
Sovraccoppiamento
Sottoaccoppiamento
Corso Macchine Acceleratrici 9/1/03
2
rf
Le porte della cavità
• Una cavità che accelera ha almeno 3
collegamenti con l’esterno:
• Il pick-up, che è una piccola antenna
(o loop) per campionare il livello di
campo elettrico presente nella cavità.
Permette di vedere ampiezza e fase
del campo a radiofrequenza
• Il coupler, che è la porta di ingresso
della potenza rf
• Le porte di fascio
• In altre strutture ci possono essere
altre aperture come la porta per il
fast tuner o le porte per espellere
modi di ordine superiore; questi non
sono necessari in ALPI
A.M. Porcellato
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Coupler
Pick-up
Beam
port
3
rf
Gli accoppiatori
Coupler induttivo
Il campo elettromagnetico entro la cavità si può eccitare con:
1) un accoppiamento magnetico: la potenza a radiofrequenza
eccita un loop (asola) inserito nella cavità in modo tale da
intercettare un alto numero di linee di campo magnetico del modo di
vibrazione voluto
2) un accoppiamento di tipo elettrico attraverso un'antenna posta
in zone in cui il campo elettrico è più forte
La potenza che può essere trasferita alla cavità dipende
dall'accoppiamento linea coassiale-cavità, cioè da quanto sono grandi
le dimensione del loop (o dell'antenna) che si affacciano alla cavità, e
da quanto sono intensi i rispettivi campi magnetici (elettrici) nella
relativa posizione
3) Guida d’onda o fascio (non nelle
cavità superconduttive di ALPI)
Coupler capacitivo
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4
rf
La cavità è come un vaso:
- Si può vedere dentro (tramite il pick-up)
Riempire la cavità
- Ha una forma conica (la velocità di salita rallenta con il livello)
- Perde un po’ di acqua (come se il sole la facesse evaporare)
- Il tubo di alimentazione arriva dal basso e fa schizzare l’acqua quando
il vaso non è pieno. Solo quando il vaso si riempie gli schizzi si fermano.
Abbiamo la possibilità di recuperare l’acqua degli
schizzi e rimandarla di nuovo indietro alla sorgente.
- Possiamo monitorare i flussi che vanno e
vengono a monte del rubinetto.
- Alimentiamo con acqua (frequenza
di risonanza) altrimenti il vaso, che
è astemio, ci respinge tutto
CAVITA’
coupler
Generatore
Possiamo regolare il flusso agendo sul rubinetto ed erogare potenza
inserendo o staccando (come con un innesto rapido) il tubo.
A seconda di quanto il rubinetto è aperto possiamo avere 3 condizioni:
1)Accoppiamento
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critico
2)Sottoaccoppiamento 3)
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Sovraccoppiamento
5
rf
Accoppiamento critico 1
Acoppiamento critico: la
potenza inviata serve
esattamente a bilanciare
le perdite che si hanno a
vaso pieno
Energia in cavità
Potenza che
esce
Fase 1: riempimento
Quando attacchiamo il tubo di alimentazione
al rubinetto la cavità è come un circuito
aperto, l’acqua vi arriva veloce e schizza via
(torna indietro tramite il raccogli gocce). Poi,
piano piano l’acqua si accumula, ci sono meno
schizzi e la cavità si riempie completamente.
A.M. Porcellato
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Potenza che entra
On
Off
6
rf
Accoppiamento critico 2
Energia in cavità
Potenza che
esce
Potenza che entra
Fase 2: equilibrio
A cavità piena la potenza che arriva serve solo a
bilanciare le perdite; dalla cavità non torna
indietro potenza (niente più schizzi) e l’energia in
cavità resta costante
A.M. Porcellato
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On
Off
7
rf
Accoppiamento critico 3
Energia in cavità
Potenza
che esce
Potenza che entra
Fase 3: Interrompiamo l’erogazione di potenza
Se stacchiamo il tubo di alimentazione, la cavità
si svuota a ritmo doppio rispetto a quello che si
avrebbe a rubinetto chiuso
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On
Off
8
rf
Quando il rubinetto eroga
più di quanto viene
consumato a cavità piena:
il vaso trabocca
Sovraccoppiamento
Energia in cavità
Potenza
che esce
Inizialmente, la cavità è come un circuito aperto, l’acqua
arriva velocissima e schizza via (torna indietro tramite il
raccogli gocce). Poi, piano piano in cavità l’acqua si accumula.
Al momento in cui la cavità è piena vi è una condizione
istantanea di equilibrio in cui non torna indietro niente, ma
subito dopo il vaso inizia a traboccare.
Quando stacchiamo il tubo il rubinetto molto aperto fa
svuotare rapidamente la cavità. Attenzione che all’istante di
interruzione la potenza emessa può essere fino a 4 volte
quella diretta!
A.M. Porcellato
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Potenza che entra
On
Off
9
rf
Quando il rubinetto non è
abbastanza aperto rispetto
a quanto viene consumato a
cavità piena: la cavità non
può mai essere
completamente riempita
Sottoaccoppiamento
Energia in cavità
Potenza che
esce
Potenza che entra
Inizialmente, la cavità è come un circuito aperto, l’acqua
arriva e schizza via (torna indietro tramite il raccogli
gocce) Poi, piano piano, in cavità l’acqua si accumula, ma
non arriva mai a riempire completamente il vaso. Nella
condizione di equilibrio gocce continuano a schizzare via.
Il rubinetto poco aperto limita l’acqua che torna indietro
quanto stacchiamo il tubo.
A.M. Porcellato
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On
Off
10
rf
Fattore di Qualità
!
!
!
!
!
A.M. Porcellato
Q e QL
Larghezza di banda, tempo decadimento
Fattore di accoppiamento β e Q
Le potenze in gioco
Il controllo del risonatore
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rf
Fattore di Qualità, Q e QL
• Il Q di una cavità è indice di quanto la cavità è
in grado di mantenere l’energia in essa
contenuta e si definisce come rapporto tra
energia immagazzinata (U ) e potenza
consumata P in ogni ciclo (ω=2πf) di
radiofrequenza
• La potenza può essere:
- dissipata nella cavità (perdite ohmiche,
multipactoring, emissione di campo),
- rilasciata attraverso le aperture della cavità;
• Se, nel calcolo, si tiene conto anche della
potenza che fuorisce dalla cavità si parla di Q
caricato ovvero QL
• Per conoscere le caratteristiche della cavità
dobbiamo aprire in essa delle porte dalle quali
fuoriesce potenza, quindi quando interagiamo
con essa vediamo sempre QL.
A.M. Porcellato
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Q=
Q
L
=
ωU
Pc
ωU
PTotale
12
rf
Larghezza di banda, tempo decadimento
Si può dimostrare che:
- QL= ωτ, dove τ è il tempo di
decadimento dell’energia nella cavità
- QL=f/∆f, con f uguale alla frequenza
e ∆f uguale alla larghezza di banda
- La fase del segnale di pick- up è
sfasato rispetto a quello di
alimentazione di una quantità che
dipende da quanto la frequenza di
alimentazione sia diversa dalla
frequenza di risonanza
1
Energia
0.5
Sfasamento
∆f
0
180
0
135
0
90
0
45
0
0
0
f
0
frequenza
QL= ωτ = f/∆f
Quanto meno la cavità dissipa (o espelle) potenza tanto più:
" Q è alto
"la larghezza di banda è piccola
"Il tempo di decadimento è lungo
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13
rf
Fattore di accoppiamento β e Q
• Per quantificare il grado di accoppiamento si usa definire il
1
parametro β che può essere calcolato dalla forma
β=
dell’inviluppo della potenza che torna dalla cavità; sia Pf è
P f −1
2
la potenza che arriva cavità in equilibrio, l’interruzione
Pe
della potenza comporta una potenza di ritorno che ha il suo
massimo Pe nell’istante di interruzione, allora:
• In regime stazionario β, con Pr potenza riflessa si può
Pr
1
±
calcolare β se si conosce se la cavità è
Pf
sovra/sottoaccoppiata. Nel primo caso vale il segno
β=
superiore, nel secondo quello inferiore.
1 m + Pr
• Valgono le relazioni:
Pf
Q
0
= (1 + β
Q
L
)
f
∆f =
Q
• In figura è presentata la relazione tra
Pr e Pe (misurate come frazioni di Pf) e
Q0/QL =β +1 in caso di sovraccoppiamento
• Pe può essere fino a 4 volte Pf
• N.B. β non è la v/c.
A.M. Porcellato
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4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Pe/Pf (spegnimento)
Pr/Pf (equilibrio)
Qo/QL
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
14
rf
Le potenze in gioco
! La potenza dissipata in una cavità superconduttiva è piccola, meno di
1 Watt, questo significa che la larghezza di banda è dell’ordine di 1 Hz
! In ALPI l’intensità di fascio è abbastanza piccola; inoltre si può
aggiustare l’antenna di pick up in modo tale che essa prelievi solo una
frazione piccola della potenza dissipata in cavità, entrambe queste
potenze si possono trascurare.
! L’antenna del coupler è aggiustabile; quanto più è inserità tanto più
rapidamente riesce a trasferire energia entro (e fuori) la cavità. A
seconda della posizione del coupler possiamo trasferire più o meno
potenza e quindi aggiustare il QL del risuonatore e di conseguenza la
larghezza di banda. Questa potenza è solo trasferita e non dissipata a
4 K, per cui non è rilevante per quanto riguarda i consumi criogenici (a
parte la frazione di potenza dissipata nei cavi all’interno del criostato).
Sul coupler si può agire per aumentare la larghezza di banda.
! L’accoppiamento critico avviene quando, in condizioni di equilibrio
(energia costante) e alimentando la cavità in risonanza non torna
indietro potenza dalla cavità. La cavità si comporta come un carico
adattato alla linea, e quindi assorbe tutto quello che arriva.
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rf
Il controllo del risonatore
! Per operare ALPI le cavità devono operare alla stessa frequenza di
risonanza, quella stabilita per il linac (o un suo multiplo)
! La cavità agisce come un filtro, se opera ad una frequenza diversa
dalla sua frequenza di risonanza, diminuisce la sua capacità di
immagazzinare energia, tanto più lontana la frequenza di operazione
da quella di risonanza tanto più piccola sarà l’energia immagazzinata
(curva a campana)
!Per questo si regolano con i tuner meccanici le frequenze delle cavità
alla frequenza stabilita per il linac
!Una più ampia larghezza di banda rende quindi più facile l’aggancio
in fase del risuonatore
! Quando più larga la larghezza di banda tanto più tollerabili sono
piccole variazioni di frequenza dovute a variazioni di pressione di He,
energia immagazzinata, tempertura...
! Quanto più grande la laghezza di banda tanto più piccolo sarà il
tempo necessario a raggiungere la condizione di equilibrio quando si
carica la cavità o a svuotarla quando si spegne la radiofrequenza.
A.M. Porcellato
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rf
Guadagno di energia della cavità
!
!
!
!
!
!
!
!
!
Guadagno di energia della cavità
Campo effettivo, tensione continua e alternata
Influenza del ritardo di fase del campo a radiofrequenza
Influenza della velocità TTF(β)
Stabilità di fase
TTF (β) nelle cavità QWR
β opt nelle cavità di ALPI
TTFN in ALPI
Struttura di ALPI
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rf
Guadagno di energia
L'energia (W) guadagnata da una particella, che viaggia attraverso
il risuonatore a velocità costante β/c, può essere espressa come:
W[J]= q Ea [MV/m] L TTFn (β) cos Φ
! q stato di carica carica della particella
! Ea [MV/m] è il campo accelerante presente nel risonatore; è
convenzionalmente definito come energia massima per stato di carica,
che una particella può guadagnare percorrendo la cavità, diviso la
lunghezza interna del risonatore (L)
! L [m] è la lunghezza interna del risuonatore lungo la linea di fascio;
! TTFn(β) è il fattore tempo di transito normalizzato per la particella che
arriva con velocità β
! Φ = fase di arrivo della particella al centro del pacchetto rispetto alla
fase del campo elettrico presente in cavità che determinerebbe il suo
massimo guadagno di energia. In generale si utilizza un valore di Φ di –
200 per ottenere un effetto di bunching
A.M. Porcellato
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rf
Campo effettivo, tensione continua e alternata
• Se una particella viene accelerata da una
tensione V costante tra due placchette a
distanza L, il suo guadagno di energia W è dato
dal prodotto della carica per la tensione
presente tra gli elettrodi; se il campo elettrico
Ea è costante tra le placchette Ea=V/L , allora
l’energia è :
Ea
W=q L Ea
x
x
e quindi proporzionale all’area rossa
• Se però la tensione Ea , costante nel valore
massimo, cambia sinusoidalmente nel tempo,
bisogna tener conto di quale sia il campo
elettrico accelerante effettivo presente
nell’istante di passaggio in ogni punto della sua
traiettoria. Non sempre il campo viene sentito
nel suo momento di massimo, la particella può
addirittura sentire un campo negativo e
rallentare. Il guadagno totale di energia sarà
dunque proporzionale alla differenza tra le aree
rosse e blu presenti tra le placchette
W= q
A.M. Porcellato
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W=q L Ea
x
x
Ea
x
gap
sen(2πf
x
x
t)
x
dL
19
rf
Influenza della fase del campo a radiofrequenza
Una particella abbia velocità tale da percorrere la
distanza L tra le placchette in un tempo che è metà
del periodo T della radiofrequenza;
! Se la particella raggiunge il centro della
traiettoria quando Ea assume il suo valore
massimo la particella acquisterà energia in ogni
punto della traiettoria
! Se la particella raggiunge il centro quando il
campo raggiunge il massimo negativo la particella
perde sempre energia
! In generale si avrà una situazione intermedia in
cui la particella potrà sfruttare solo parte della
tensione disponibile
! Il guadagno di energia di una particella dipende
dal momento in cui la particella arriva in ciascun
punto rispetto al momento in cui il campo
assumeva nello stesso punto il suo valore
massimo (ritardo di fase).
A.M. Porcellato
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20
rf
!
!
!
!
TTF(β)
Supponiamo che la particella arrivi al centro delle
placchette quando il campo è massimo
il guadagno di energia dipende da quanto
rapidamente cambia il campo mentre la particella
attraverso lo spazio tra le placchette e cioè dal periodo
(inverso della frequenza) della radiofrequenza
Ovvero, se la frequenza e la distanza tra le placchette
sono fissate, la particella guadagna energia in modo
diverso a seconda della sua velocità o β, velocità
misurata come frazione della velocità della luce
(β=v/c). N.B. Questo non è lo stesso b definito per
l’accoppiamento
Supponendo che la particella passi per le placchette a
velocità costante è possibile definire una funzione
(TTF), indipendente dal tipo di particella e
dall'ampiezza e fase del campo elettromagnetico che
determina l'energia massima trasferibile alla particella
in funzione della velocità di transito.
Il valore di β per il quale la funzione TTF ha il suo
massimo si definisce β ottimo (βopt.) del risonatore.
A.M. Porcellato
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rf
Stabilità di fase
! Se abbiamo un pacchetto di particelle da accelerare possiamo sfruttare
la variazione di guadagno di energia con la fase per far sentire alle
particelle in testa un campo più debole (per accelerarle di meno) e a
quelle che arrivano in coda un campo più forte (per accelerarle di più);
in questo modo possiamo tenere sotto controllo la lunghezza in tempo
del pacchetto evitando che, cavità dopo cavità, il pacchetto si allunghi.
! In generale si usa anticipare l’arrivo del centro del pacchetto, in modo
che manchino 20° al raggiungimento del massimo valore di campo in
quel punto
! Ovviamente più lungo è il pacchetto maggiore deve essere l’anticipo di
fase, ma l’accelerazione della particella al centro del pacchetto si riduce;
inoltre al crescere del ritardo di fase aumentano gli effetti defocalizzanti
e di deflessione della cavità, cioè il fascio si apre trasversalmente.
Bisogna trovare il giusto compromesso
A.M. Porcellato
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rf
TTF nelle cavità QWR
! Nelle cavità QWR di ALPI, la situazione
è leggermente più complicata dato che
esse hanno due intervalli (gap) dove le
particelle sono accelerate; inoltre in
queste gap il campo elettrico non è
costante (curva nera in basso)
! Il campo effettivo che la particella vede
sarà dunque il modulo del campo
presente (curva nera) moltiplicato per
il valore della funzione che determina
l’oscillazione del campo (curva rosa).
! La particella positiva vede un campo
accelerante nella prima gap, poi,
mentre attraversa l’induttore centrale,
il campo elettromagnetico cambia
segno per cui la particella può essere
accelerata anche nella seconda gap
linea di
beam
fascio
gap
gap
port
beam
port
piatto di fondo
3
E(x)
Ea
1.5
0
-10
5
0
5
x
10
Posizione [cm]
A.M. Porcellato
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rf
β opt nelle cavità di ALPI
• In una QWR la particella con β=βopt
Basso β
(βc=velocità) percorre la distanza d tra i
centri delle gap in un semiperiodo T/2, in
modo che se il campo è massimo quando
la particella è al centro di una gap esso sia
nuovamente massimo quando la particella
arriva al centro della gap successiva.
d= βcxT/2=βc/2f
• Per le cavità medio β f=160MHz e d=10
cmper cui β=0.11
• La cavità basso β di ALPI ha la stessa
sezione trasversale di quella medio β per
cui d è lo stesso, ma essa, avendo
frequenza dimezzata, ha βopt esattamente
la metà di quello delle cavità medio β
• Nelle cavità alto β le gap sono più lunghe
(60 mm invece di 40), questo dà un
piccolo aumento di d che fa leggermente
aumentare βopt
A.M. Porcellato
Corso Macchine Acceleratrici 9/1/03
d
medio β
alto β
80 MHz;
β
=0.056
160MHz;
160MHz;
β = 0.11
β = 0.14
24
rf
TTF cavità medio β
TTF in ALPI
0.95
! La curva (misurata sperimentalmente) di
TTF per le cavità medio β di ALPI è data
in figura. La curva indica che il massimo
guadagno possibile di energia si ha per il
fascio che ha velocità (misurata in unità c)
= βopt; particelle più lente o più veloci
saranno accelerate con minore efficienza.
! Da notare che la particella non può
sfruttare mai tutta la tensione disponibile, il
TTF(βopt)<1.
! La curva di tempo di transito normalizzato
definita come:
TTFN(β)=TTF(β)/ TTF(βopt)
indica per ogni β la frazione di energia
guadagnabile dalla particella con velocità
βc rispetto a quella guadagnata dalla
particella con β= βopt .
! In grafico sono presentati le curve di TTFN per
i tre tipi di cavità installati in ALPI
0.85
A.M. Porcellato
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0.9
0.8
0.75
0.7
βopt=0.11
0.65
0.6
0.06
0.1
0.14
0.18
0.22
β
TTF normalizzato
1
cavità basso beta
cavità medio beta
0.9
cavità alto beta
0.8
0.7
0.6
0.5
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
Beta
25
rf
Struttura di ALPI
CR12 CR13 CR14 CR15CR16 CR17 CR18 CR19 CR20
EX
.
B4
H
AL
L
3
B3
COLD BOX
CR10 CR9 CR8 CR7 CR6 CR5 CR4 CR3
B2
P
I
A
V
E
β=0.11, 160 MHz,Nb/Cu or Pb/Cu.
β=0.056, 80 MHz, full Nb.
β=0.13 160 MHz Nb/Cu.
TANDEM
EXPERIMENTAL
HALLS 1, 2
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26
rf
Medio β, 160 MHz,
Da Pb/Cu a Nb/Cu
8
Nb/Cu installati
Pb/Cu installati
Nb/Cu misurati in laboratorio
Da riparare
Pb/Cu disinstallati
7
Ea a 7 W [MV/m]
6
5
4
3
2
1
0
CR7
CR8
CR9
CR10 CR12 CR13 CR14 CR15 CR16 CR17 CR18 CR19 CR20
(high (high
Criostato
Beta) Beta)
Criostato medio β di ALPI. Le cavità hanno migliorato le loro
prestazioni dopo che il Piombo è stato sostituito da Niobio
A.M. Porcellato
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27
rf
Nb, 80 MHz
Sezione basso β
10
Bulk Nb resonator perforamance
Ea [MV/m]
8
6
4
2
06
-3
CR
06
-1
CR
05
-3
CR
05
-1
CR
04
-3
CR
CR
04
-1
0
Cavity
! 80MHz, β=0.056
! 12 risonatori
A.M. Porcellato
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28
rf
Q
Alto β: ALPI
Nb/Cu
1.00E+10
1W
3W
1.00E+09
7W
CR20-1
CR20-2
1.00E+08
CR20-3
CR20-4
1.00E+07
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
coupler
pick-up
beam port
Ea [MV/m]
ALPI β=0.13, 160 MHz; senza
brasature, coupler capacitivo
4+4 risonatori
A.M. Porcellato
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29
rf
Multipacting
• Una metafora
• Cos’è il multipacting?
• Come si evita?
• Condizionamento, perché ?
• Condizionamento, come ?
• Ricaduta nel multipactoring, che fare?
A.M. Porcellato
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30
MULTIPACTORING
rf
In una cavità normal conduttiva non ci
sono strade, solo sentieri da fare a piedi…
A.M. Porcellato
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31
rf
Si fatica molto, arriva sera presto, non si
riesce a salire tanto in alto
A.M. Porcellato
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32
rf
L’apertura di una superstrada rende agevole la salita.
Ma la strada è aperta solo d’inverno, lo spazzaneve
deve prima aprire la pista, ma poi si va veloci
A.M. Porcellato
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33
rf
Qualche piccolo residuo si può saltare, se il
motore fila, ma attenti a non finire fuori strada!
A.M. Porcellato
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34
rf
Nelle buche, nei punti in ombra la neve si può
riaccumulare, si slitta ci si blocca, ci si deve fermare
e ripulire bene se non si vuole finire fuori strada!
A.M. Porcellato
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35
rf
Multipactoring: cos’è?
! Il multipactoring è un pocesso elettronico risonante in cui elettroni
vengono accelerati dal campo elettromagnetico (CEM) e vanno a
impattare ciclicamente sulla superficie della cavità. Se L’area di impatto
è unica si parla di multipacting ad un sito;multipacting a più siti se gli
elettroni vengono palleggiati ciclicamente tra più aree
! Gli elettroni possono moltiplicarsi ad ogni impatto di una quantità che
dipende dall’energia di arrivo e dalle condizioni della superficie.
! Se questo carico elettronico assorbe tutta la potenza rf disponibile e
impedisce al CEM di aumentare, fa perdurare la condizione di risonanza.
! La condizione risonante è possibile solo per particolari valori del CEM
che corrispondano a particolari traiettorie, fasi e superfici di impatto. Il
suo autosostentamento è possibile solo se la potenza che inviamo in
cavità è eguaglia quella che viene assorbità dal carico elettronico.
! Il processo si blocca quando il carico elettronico non è più in grado di
assorbire tutta la potenza: quella eccedente va ad aumentare il campo
facendo cadere la condizione di risonanza.
A.M. Porcellato
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36
rf
Multipacting: come si evita
! E' difficile (impossibile nelle QWR) disegnare una
cavità esente da multipactoring; comunque evitare
nella cavità angoli o superfici parallele affacciate
aiuta
! Evitare il più possibile la contaminazione delle cavità,
perché questa fa aumentare il coefficiente di
moltiplicazione degli elettroni
! Il backing (riscaldamento) per alcune ore (12-24) a
temperature intorno a 350 K favorisce il
degasamento delle superfici, le ripulisce e quindi
accelera i tempi di condizionamento
A.M. Porcellato
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37
rf
Condizionamento, perché?
! A furia di impatti gli elettroni ripuliscono la superficie da
contaminazioni ed adsorbati vari, la moltiplicazione di elettroni non è
più efficiente e il carico elettronico può non riuscire ad assorbire tutta
la potenza in arrivo. La potenza eccedente vada ad aumentare
l’intensità del CEM presente in cavità e fa perdere la condizione di
risonanza, il processo si blocca, Il livello “salta”, non è tuttavia
eliminato.
! Possiamo reincontrare il livello di multipactoring (riducendo la potenza
che inviamo in cavità), ma la potenza che questo può assorbire si
riduce con il tempo; è condizionato quando non può più assorbire
potenza.
! La cavità superconduttiva ha Q0 alto, tempi di reazione molto lenti, il
CEM cresce lentamente (quando l’accoppiamento è critico o vicino
all’accoppiamento critico) e quindi può facilmente cadere nel
multipactoring, il vuoto migliore che generalmente c’è a 4 K rende
invece meno efficiente il processo.
A.M. Porcellato
Corso Macchine Acceleratrici 9/1/03
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Condizionamento, come?
! Il condizionamento va fatto con buon vuoto di criostato per non
ricircolare sporcizia.
! Meglio operare a temperatura ambiente o più bassa.
! Quando possibile è conveniente condizionare le cavità nello stato
normal conduttivo perchè:
- si dissipa potenza a temperatura più alta (1 W a 4 K corrisponde a
circa 1 kW alla presa di corrente
- Superfici più calde degasano meglio
- possiamo trasferire più potenza entro la cavità senza farla transire
- Nello stato superconduttivo è più facile perdere la condizione di
risonanza quando la frequenza aumenta (di kHz!) per il multipacting
- far scaricare la cavità se il livello salta e tanta potenza entra in cavità
! Nello stato superconduttivo bisogna ricondizionare gli eventuali livelli
residui che impediscono alla cavità di aumentare la sua energia
! Scariche durante il condizionamento o criopompaggio di gas residui,
possono sporcare la cavità che può “ricadere” sul multipactoring, i
livelli che tornano vanno ricondizionati
A.M. Porcellato
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Ricaduta nel multipactoring, che fare?
! Più potenza riesco a trasferire al processo di multipactoring più
veloce è il suo condizionamento.
! Posso quindi sia aumentare la potenza inviata in cavita sia
ottimizzare l’accoppiamento in modo da ridurre la potenza riflessa.
Più potenza assorbita implica richiesta di accoppiamento più forte
(coupler più dentro) Attenzione però, se il livello salta, il campo può
diventare molto alto e la cavità può scaricare!
! Multipactoring implica aumento della frequenza di risonanza; per
ottimizzare i tempi (riducendo la potenza riflessa) si può cercare di
seguire la frequenza della cavità. Questo modo di operazione riduce
i tempi di condizionamento, ma è una condizione di equilibrio
instabile che va vigilata e che richiede continui aggiustamenti. Essa
va perseguita solo quando si opera con una cavità alla volta e si
devono ridurre i tempi di condizionamento.
! In generale, quando si hanno più cavità da controllare è meglio
lavorare vicino (leggermente più in alto) della frequenza di risonanza
della cavità non caricata dal multipactoring e cercare di ridurre la
potenza riflessa aggiustando il coupler.
A.M. Porcellato
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Sommario
Ho scelto di parlare, cercando di evitare complicazioni
matematiche, di alcuni concetti che penso meno intuitivi di altri:
! Accoppiamento delle cavità, definendo i concetti di
accoppiamento critico, sottocritico e sovracritico
!
Q del risonatore e come questo parametro influenzi il
controllo della cavità
!
Guadagno di energia di una particella nella cavità e dei
concetti di TTF e di stabilità di fase
! Multipacting e del suo condizionamento
Non ho parlato di: tecnologia di costruzione delle cavità,
emissione di campo, campi magnetici critici, criostati,
performance dei risonatori, ….
Parlare di tutto in poco tempo avrebbe reso la pillola
troppo indigesta.
Spero che le immagini siano riuscite a rendere più comprensibili
i concetti, che non sono proprio immediati.
Grazie dell’attenzione
A.M. Porcellato
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