ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

18

description

Review of SC spokes cavities for low-medium energy. Evgeny Zaplatin (FZ Jülich)

Transcript of ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

Page 1: ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

������������������������������������ �������� ������������ ���������������� ������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� � ���������� ���������� ���������� ���������

���������������� ���������������������� ����������������������� ����� �������� ����� �������

Page 2: ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

������������������������������������ �������� ������������ ���������������� ������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� � ���������� ���������� ���������� ���������2

� ��������� ���� ������� ������������ ���� ����!"���� #$%%&

' ��(����)��*����� ��(��+��� ��� �������!"�, , -�. ������"�/ ���� ��)�"�$%%&

���0 1� ���-) �����������0���2�� �� -��!"�, , -�. ������"�/ ���� ��)�"�$%%&

���0 1� ���0���2�� �/ ���)� � ��� �� �������!"�, , -�. ������"�/ ���� ��)�"�$%%&

����������� ����������������������� ������������

Low-beta SC Nb CommunityJuelich

Spoke Community

Page 3: ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

������������������������������������ �������� ������������ ���������������� ������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� � ���������� ���������� ���������� ���������3

) ���� ���

���� ����3' 4 �5

�����������

���� ����3� � �5

�) ��������� ����6�) ��������� ����6

78$�. ' 9

β:�%�78

� �� :�$8 �� �

βλ;$ :�<=> � �

9?����:%�7@βλ;$

* A

z_spoke

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 20 40 60 80 100 120 140

z / mm

Ez

/ Ez

max

βλβλβλβλ / 2*������

2 A

Page 4: ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

������������������������������������ �������� ������������ ���������������� ������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� � ���������� ���������� ���������� ���������4

β :�%�<8 β :�%�78β :�%�88

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

beta = v/cE

_pk

/ E_a

cc

spokehwr

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6beta = v/c

B_p

k / E

_acc

[m

T/M

V/m

]

spoke

hwr

150160170180190200

210220230240250

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

beta = v/c

cavi

ty r

adiu

s/le

ngth

[m

m]

spokehwr

����� ���)������� ���)�����B�:�78$�. ' 9

��β ↓↓↓↓

��� ��↓↓↓↓

����� � �� ���↑↑↑↑

���������� ���↓↓↓↓

����������)�↓↓↓↓ ����

��������B�����) ����3<CD�. ' 95

��β ↑↑↑↑

��� ��↑↑↑↑

����� � �� ���↓↓↓↓

���������� ���↑↑↑↑

������9��↑↑↑↑ ����

�������� �����

Page 5: ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

������������������������������������ �������� ������������ ���������������� ������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� � ���������� ���������� ���������� ���������5

��������� ������������� ��������������

E������ �� ���"���� ��"�0�/ -�>$

� ���������� ������ A�� �����F����+��� ��������������������A���������"�A��� ������������������� �������� �����A����→→→→ ��� ������� ��������������������������� �)

Page 6: ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

������������������������������������ �������� ������������ ���������������� ������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� � ���������� ���������� ���������� ���������6 ������

������ A�� ����� ������ A�� ������� ���������������� ��������������������

����������� ���������� ���

����������� ������

��� ��������!���"������ �

#����$� ����!�������

�����F

�������"�������� ����

�������������� ��

/ 0

�G E

Page 7: ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

������������������������������������ �������� ������������ ���������������� ������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� � ���������� ���������� ���������� ���������7

������ A�� ����� ������ A�� �����FF ������������

�����$������"���"

�������F

�������"�������� ����

�������������� ��

�����A����F

����3$�75�� ��

����� ����� ����

/ 0

�G E

�1���� ��������������������F

��������A������� ������� �����)���

Page 8: ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

������������������������������������ �������� ������������ ���������������� ������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� � ���������� ���������� ���������� ���������8

������ A�� ����� ������ A�� ������� ��������������

���������������)���������������������������������� ����)���������)��� �������<�=�� �

, )��� ���������� �������������������) ������ ������������������"������)������������ �)�������

, )��� ������� ��F ����������A �"�A�������������� ��

Page 9: ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

������������������������������������ �������� ������������ ���������������� ������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� � ���������� ���������� ���������� ���������9

����� ���������� �����

β = v/c��� ��� ��� ��� ��� ���

�� ����������

tsr 760MHz

β=0.2 FZJ

tsr 352MHz β=0.48

FZJ

dsr 345MHz

β=0.4 ANL

tsr 352MHz

β=0.3 IPN

tsr 345MHz

β=0.5 ANL

tsr 345MHz β=0.64

ANL

tsr 325MHz β=0.62

Fermilab

ssr 352MHz β=0.15

IPN

ssr 855MHz

β=0.5 ANL

ssr 352MHz β=0.35

IPN

ssr 345MHz

β=0.3 ANL

ssr 345MHz

β=0.4 ANL

ssr 325MHz

β=0.4 Fermilab

ssr 325MHz β=0.22

Fermilab

ssr 350MHz β=0.175

LANL

hwr 176MHz β=0.11

FZJ hwr 172.5MHz

β=0.26 ANL

hwr 175MHz β=0.094

IFMIF

hwr 176MHz β=0.09 ACCEL

hwr 175MHz β=0.166

IFMIF

hwr 176MHz β=0.16 ACCEL

hwr 176MHz β=0.15

Legnaro

hwr 355MHz β=0.12

ANL

hwr 322MHz β=0.28 MSU

ch 360MHz

β=0.1 FrUni

Page 10: ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

������������������������������������ �������� ������������ ���������������� ������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� � ���������� ���������� ���������� ���������10

))�� ))�� � ����� �����������6�����6

19-gap CH 360MHz β=0.1

FraUni, 2005Vertical test: 7 MV/m

H-cavity

V. V. Vladimirsky, 1956

P. Blewett, 1956

10-gap multi-spoke 700 MHz β=0.2, Juelich, 1999

7-gap CH 325 MHz β=0.15, Frankfurt Uni, 2007

clean problems!

Page 11: ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

������������������������������������ �������� ������������ ���������������� ������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� � ���������� ���������� ���������� ���������11

β :�%�=&β :�%�<& β :�%�>&

������A�� ������A�� ���B�����:��78$�. ' 9

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

beta = v/c

Bp

k / E

acc

[m

T/M

V/m

]

0

1

2

3

4

5

6

7

Ep

k / E

acBpk/Eacc

Epk/Eacc

150

170

190

210

230

250

270

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

beta = v/c

rcav

[m

m]

��������� ���A+����������β :�<���

��������������������������� ������������

������A��� � ����� ��� ���) ������� A�� ��

������B�����+�� �� ��� � ��������������

Page 12: ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

������������������������������������ �������� ������������ ���������������� ������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� � ���������� ���������� ���������� ���������12

)�������������� �����)�������������� �����

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

beta = v/c

Epk

[M

V/m

]

4 K2 Ktesla @ Eacc=30

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

beta = v/c

Bpk

[m

T]4 K2 Ktesla @ Eacc=30

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

beta = v/c

Eac

c [M

V/m

]4 K

2 K

0 �:�3��� A������� ��1������ ��A�� �1�� � A� 5;$

�� ���� ��� ���������������� �������)������)�������� ������A������ )�����)�� � ���� ����� ���������������A�� � �����

Page 13: ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

������������������������������������ �������� ������������ ���������������� ������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� � ���������� ���������� ���������� ���������13

��������� � ���� ��������� � ����

5� �� / 0�� <8% �� �����H�

2-(����)�� �� ���' �H' / �7H' 7(�= <H<H$ � ���� �1��*�)����������������C% � ���>% �� �������2�������������� ����� ������������A����� "����� ������� ������)����)�3/ A�I�<%�;�5�� ������ ��� ����� ��� ����<8�> ��- ���� ��������� �<=�> ��-����<C ��-����������)�����4 ����)�����������������<<> �� �������� ��� ���

A5�' (�� �� / 0�-� �<% ��� �� �� ����� <8% �� �����H

������ ��H���99��� ���������)�D ����� ������ ����+��"������ )� ��J=8�"�>%� ����=8� ���� ��� 1���4 ���� ��������� ��� A������� 1�� ����� ���� �������� 1��3����������������)�� ����5� �� A����7�� ;� ����E ��������� ������ �) �����D ���� ������� ������������� ��������������� ��� ���� A����$% �� ���� ��� )������� ������- ������������������������ ����������� �� ���3� ��� ��������5� ������������������-� �<% � �� ��������)���

R.Wagner, HB2008

ssr 325 MHz β=0.22 Fermilab

<5�, )��$ ����A��� ������ ��� ����)�� �����)������ �� ����������)�� �� � ������� ������ ���� ��<%% �� ������� � ���� ���)���)����� ��� � ���������<8% �� ������*(�� � � ��� ����)��� �� ���� ��� ������� 3, :7%�-"�K ��� ���<$�<& �K " �������7% �� ;� $ "�&8 H<% ������H)����������5 5��)������� ��� �������������)���A���� �����)���������� � ��� ��� �� )���� ����������' � (*�) �����)� ������ �������� ����� ��, )�� �)������ ��� ������������ �� ��� ���� �37%%7�����5���A���� �� L7�� � A�����)�������� ��� A����<$ ��������� � �� ���*(���������� ���������)������� ����)�� ���� ����������)� �' � (*��� ���� ���, )� ���� ����� ���������� ������� )������� ������ ������L8%�C8 �� ������� � ���� ������A �)���� ���A5��)��)������� �����������)��� ��� ������ �������� ���� ���)� ��� ����� �������)��A����� ����� ���)�� ������ ��������)��� �� ������������������������)�� ����, )� �)����� � ��� � ��� ���� ��A�����)������M������M��) �����+������������)� A����� �����)� ������� ��)������5� �� �� ��' (������)��*(N������ � �������� ���A������������� A� � ����������)���)���������������)����5� �<% �� ������� �� ���2-(�� �������� �������)��������� ���� ��������������� ���� ����������������������3�� �� ������)��� *� O �M�� ) *(M5�5�, )�� ������ ��)���)��)���������������)����)�� )�����)� ����������3$ �A� � �J�7��������5�����L<�)����������������)��� ��� � � ���� ��L<%% �A ����99���������� ���<8 ����������� ��������� �����P�)����� ���������� � ����������� ������ ����� ����� ������ ��)��� �)�� ������ �����������$ �� �� ����)���� ���������� �� ����� ��� ���� ��

) ��� ���3� ������� ���"�������� ���� ���� �2��A���5� M. Kelly, Jan., 2009

tsr 345 MHz β=0.5-0.64 ANL

Page 14: ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

������������������������������������ �������� ������������ ���������������� ������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� � ���������� ���������� ���������� ���������14

��������� � ���� ��������� � ����

1.E+08

1.E+09

1.E+10

0 2 4 6 8 10 12 14

Eacc [MV/m]

Q0

test 2 (T=2 K)test 2 (T=4.2 K)test 1 (T=2 K)test 1 (T=4.2 K)

M ult ipacting

FE

After test 1 the cavity was warmed up, disassembled, degreased and heattreated at 600 C for 10 hrs. After furnace treatment, degreased and bcpwith 1:1:3 in steps of 5 min each ( on sample app. 0.9 microns/min); totaltime of bcp 30 min; then HPR in 2 locations axially with cavity rotating,app. 30 min each, R@D hpr system. Cavity dried in class 10 clean roomover night and assembled next morning (PK); attached to test stand andevacuated; prior to cooldown, p~ 1.2e-8 mbar, cont'd next day afterHelium top off. P. Kneisel, Feb., 2008

tsr 760 MHz β=0.2 FZJ Jlab test

2-(� ��-* �� � �����$%%$H��)�� ������ ��� � ��������������������)�� ���A �)���� ������������������A��, �������������������� �H���� ������)����� A����<8%�Q� �

' (�����$%%$� ��-* ;� � �H��������)����)�A� � �����H� A����=8� ������<);A� � �������(���������&%;<%%A �� G. Olry, HIPPI Meeting, Sept., 2004

ssr 352 MHz β=0.35

IPN Orsay

Page 15: ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

������������������������������������ �������� ������������ ���������������� ������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� � ���������� ���������� ���������� ���������15

stiffening rings

)���� A�����6)���� A�����6

78$�. ' 9"�β :�%�=&"��G EC%=�. ' 9"�β :�%�=C"�-* C%=�. ' 9"�β :�%�=C"��/ �/

-60

-50

-40

-30

-20

-10

01.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07

K_ext [N/mm]

K_L

[H

z/(M

V/m

)**2

]

fzj tsrinfnsaclay one.ringsaclay tw o.rings

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

01.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07

K_ext [N/mm]

K_V

[H

z/m

bar

]

fzj tsrinfnsaclay one.ringsaclay tw o.rings

Page 16: ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

������������������������������������ �������� ������������ ���������������� ������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� � ���������� ���������� ���������� ���������16

���������� ���������� ���������� ����������

2 A2 A * A

� ���� ��A������� ���������)�������;����������� �� ������������ ���

���1�A���������������;����������� �� �������� �����3 ����� ���� ��"������������������ ������� � ���5

* A2 A

tuning in max b-

field

Page 17: ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

������������������������������������ �������� ������������ ���������������� ������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� � ���������� ���������� ���������� ���������17

)��)� ������ A������� �)��)� ������ A������� �

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07

K_ext [N/mm]

K_V

[H

z/m

bar

]

tsr.0.98_lhe.vesseltsr.0.48_lhe.vesseltsr.0.98_no.lhe.vesseltsr.0.48_no.lhe.vessel

external pressure deformations

-6.0

-5.0

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.01.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07

K_ext [N/mm]

K_L

[H

z/(M

V/m

)**2

]

tsr.0.98_lhe.vessel

tsr.0.48_lhe.vessel

lorenz forces deformations

Page 18: ESS-Bilbao Initiative Workshop.Review of SC spokes cavities for low-medium energy.

������������������������������������ �������� ������������ ���������������� ������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������� � ���������� ���������� ���������� ���������18

����������������������������������*��� ��� ���-�� � ��������A� � ���� � ������ -�, ������� �����- �����"�� -0� ���(. � !"��' �((�� ��� ��

. ������"�$D�$C �� ����� A��"�$%%C "��(/ ��� ��F ����� � �����0�/ -="�>%�<D%�. �K

� ����-�������- �����C%=�=�. ' 9

(��� ����� ��������78$�$�. ' 9

� -�, ������� �����- �����78$�$�. ' 9

3J5�)��)����B�����→→→→ )��)�)������ ��� ��

3J5���������� ������ ����������

3�5�A������ A����������������

3�5�) ������������������� �������������B�����) ����������

3J5��� ��������� �) �� ���������

3J5��� �������������������

3J5�������B�����) ����������

3�5�������)������ ��� ��

3J5��� �����9��L%�8λ 3L%�>λ ����, . ��������5�→→→→ ���)�� � ���� ����9��) ���������B�����→→→→ � ���������� ��� ��

3J5�=����; �����→→→→ A�� ���������� ��� ���→→→→ +��������������� ���������>%�<D%�. �K

3J5�������B�����) ����������

3�5�������� ������1��������������