| Autor(en): |
Axel Neumann |
Titel: |
Compensating microphonics in SRF cavities to ensure beam stability for future free-electron-lasers |
| Gutachter: |
Eberhard Jaeschke; Hermann Kolanoski; Shaukat Khan |
| Erscheinungsdatum: |
27.11.2008 |
| Volltext: |
pdf
(urn:nbn:de:kobv:11-10094018)
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| Fachgebiet(e): |
Physik |
| Schlagwörter (ger): |
Supraleitender Hohlraumresonator, Mikrophonie, Schnelle mechanische Abstimmer, Selbstanpassende Vorauskompensation |
| Schlagwörter (eng): |
Superconducting Cavity, Microphonics, Fast mechanical tuner, Adaptive feedforward |
| Einrichtung: |
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I |
| Zitationshinweis: |
Neumann, Axel:
Compensating microphonics in SRF cavities to ensure beam stability for future free-electron-lasers;
Dissertation,
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 27.11.2008, urn:nbn:de:kobv:11-10094018
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| Abstract (ger): |
| Laser-initiierte Freie Elektronen Laser
(FEL) und Energy Recovery Linearbeschleuniger
(ERL) erfordern höchste
Stabilität der beschleunigten Elektronenpakete. Die zeitliche
Streuung der Elektronenpakete und die mittlere Energieabweichung in
den Undulatoren sollten in der Grössenordnung von Femtosekunden
bzw. im Promille Bereich liegen. Das erfordert eine Regelung der
Hochfrequenz (HF) Beschleunigungsfelder in den supraleitenden
Hohlraumresonatoren bis zu 0.02° Phasen- und
1e-4 Amplitudengenauigkeit. Die TESLA Resonatoren des
2.3 GeV Linearbeschleunigers des geplanten BESSY-FEL sollen im
Dauerstrichbetrieb bei geringer Strahllast betrieben werden. Die HF
Resonanzbreite ist folglich sehr
schmalbandig und liegt im Bereich von 10 Hertz. Um die erreichbare
Feldstabilität zu erfassen, wurden die Resonatoren einem
umfangreichen Messprogramm in der HoBiCaT Testanlage unterzogen.
Eine Charakterisierung der vollständigen Resonatoreinheit
hinsichtlich der mechanischen Verstimmung durch Mikrophonie,
statische -und dynamische Lorentzkraftverstimmung, ihrer
mechanischen Eigenschaften und HF-System Rauschen erbrachte wichtige
Daten, um die zu erwartende Feld -und somit Strahlstabilität im
Linac zu simulieren. Die gemessene Mikrophonie betrug 1-5 Hz rms,
ist somit eine dominante Fehlergröße und wirkt sich limitierend auf
die Strahlstabilität im Linac aus. Um sie zu minimieren, wurden
aktive Dämpfungsmethoden entwickelt. Dazu wurden unterschiedliche
mechanische Abstimmungssysteme mit integrierten Piezoelementen
getestet. Ein adaptiver, vorauskompensierender Regelungsalgorithmus
wurde entwickelt, welcher die gemessene Transferfunktion der
Abstimmvorrichtung beinhaltet. Damit wurde eine Kompensierung der
Mikrophonie um einem Faktor von zwei bis sieben erreicht. Die
Einbeziehung dieser Regelung in die Linacsimulationen zeigte, dass
diese einen wichtigen Beitrag zur Erreichbarkeit der benötigten
Strahlstabilität für zukünftige FELs und ERLs darstellt. |
| Abstract (eng): |
| In seeded High-Gain-Harmonic-Generation free electron lasers or
energy recovery linear accelerators the requirements for the
bunch-to-bunch timing and energy jitter of the beam are in the
femtosecond and per mill regime. This implies the ability to control
the cavity radio-frequency (RF) field to an accuracy of
0.02° in phase and up to 1e-4 in
amplitude. For the planned BESSY-FEL it is envisaged to operate 144
superconducting 1.3 GHz cavities of the 2.3 GeV driver linac in
continuous wave mode and at a low beam current. The cavity resonance
comprises a very narrow bandwidth
of the order of tens of Hertz. Such cavities have been characterized
under accelerator like conditions in the HoBiCaT test facility. It was
possible to measure the error sources affecting the field stability
in continuous wave (CW) operation. Microphonics, the main error
source for a mechanical detuning of the cavities, lead to an average
fluctuation of the cavity resonance of 1-5 Hz rms. Furthermore, the
static and dynamic Lorentz force detuning and the helium pressure
dependance of the cavity resonance have been measured. Single cavity
RF control and linac bunch-to-bunch longitudinal phase space
modeling containing the measured properties showed, that it is
advisable to find means to minimize the microphonics detuning by
mechanical tuning. Thus, several fast tuning systems have been
tested for CW operation. These tuners consist of a motor driven
lever for slow and coarse tuning and a piezo that is integrated into
the tuner support for fast and fine tuning.
Regarding the analysis
of the detuning spectrum an adaptive feedforward method based on the
least-mean-square filter algorithm has been developed for fast
cavity tuning. A detuning compensation between a factor of two and
up to a factor of seven has been achieved. Modeling the complete
system including the fast tuning scheme, showed that the
requirements of the BESSY-FEL are attainable. |
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