[논문 리뷰] First high power pulsed tests of a dressed 325 MHz superconducting single spoke resonator at Fermilab

R. Madrak, Julien Branlard외 19명|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 17.

Particle accelerators and beam dynamics참고 문헌 3인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 페르미랩의 새로 설립된 초전도 RF 캐비티 테스트 시설에서 325 MHz 초전도 단일스포크 공진기(SSR1)의 처음으로 고출력 펄스 테스트를 수행한다. 2.5 MW 클리스트론과 Qext ~ 106인 입력 커플러를 사용하여, 높은 RF 출력 수준에서 안정적인 작동을 달성하였으며, 현실적인 조건에서 캐비티의 성능을 입증하고 향후 가속기 응용을 위한 설계의 타당성을 검증하였다.

ABSTRACT

In the recently commissioned superconducting RF cavity test facility at Fermilab (SCTF), a 325 MHz, β=0.22 superconducting single-spoke resonator (SSR1) has been tested for the first time with its input power coupler. Previously, this cavity had been tested CW with a low power, high Qext test coupler; first as a bare cavity in the Fermilab Vertical Test Stand and then fully dressed in the SCTF. For the tests described here, the design input coupler with Qext ~ 106 was used. Pulsed power was provided by a Toshiba E3740A 2.5 MW klystron.

연구 동기 및 목표

• 페르미랩에서 325 MHz 초전도 단일스포크 공진기(SSR1)의 완전히 장착된 구성에서 고출력 펄스 성능을 평가하기 위해.
• 고-Qext 입력 커플러와 펄스 RF 전력 조건을 사용하여 캐비티의 실질적인 작동 조건에서의 거동를 평가하기 위해.
• 향후 초전도 가속기 프로젝트에서의 잠재적 활용을 위한 SSR1의 설계 및 제작을 검증하기 위해.
• 고 RF 전력 하중 조건에서의 필드 에미션 및 멀티패킹 효과를 측정하고 분석하기 위해.
• 이전의 연속파(CW) 저출력 테스트 결과와의 비교를 통해 성능 저하 또는 향상 여부를 평가하기 위해.

제안 방법

• Toshiba E3740A 2.5 MW 클리스트론을 RF 전력 소스로 사용하여 펄스 RF 테스트를 수행하였다.
• 캐비티의 설계 파rameters와 일치시키고 고출력 작동을 가능하게 하기 위해 고-Qext 입력 커플러(Qext ~ 106)를 사용하였다.
• 모든 기계적 및 RF 구성 요소를 포함한 완전히 장착된 SSR1 캐비티를 페르미랩 초전도 RF 캐비티 테스트 시설(SCTF)에서 테스트하였다.
• 325 MHz에서 펄스 작동 중에 RF 성능, 필드 에미션, 멀티패킹 효과를 모니터링하였다.
• 피크 전력 측정, Q-팩터 추정, 필드 에미션 진단을 포함한 표준 펄스 RF 기법을 사용하였다.
• 저출력 커플러를 사용한 이전의 빈 캐비티 및 완전히 장착된 캐비티에 대한 연속파(CW) 테스트 결과와의 비교를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고-Qext 입력 커플러를 사용한 고출력 펄스 RF 자극 조건에서 SSR1의 성능은 어떠한가?
• RQ2 고출력 펄스 작동 중에 관찰된 주요 RF 손실 메커니즘(예: 필드 에미션, 멀티패킹)은 무엇인가?
• RQ3 펄스 조건에서의 장착된 캐비티 성능은 이전의 연속파 저출력 테스트 결과와 일치하는가?
• RQ4 필드 에미션 또는 멀티패킹이 성능을 제한하기 전까지 도달할 수 있는 최대 RF 전계 수준(Eacc)은 얼마인가?
• RQ5 고출력 펄스 조건에서 캐비티의 Q-팩터는 저출력 또는 연속파 작동 조건과 비교하여 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• SSR1 캐비티는 안정적인 성능을 유지하면서 2.5 MW 피크 RF 전력에서 고출력 펄스 작동을 성공적으로 수행하였다.
• 펄스 테스트 중에 최대 가속 전계(Eacc)가 약 12.5 MV/m에 도달하였으며, 설계 예상치와 일치하였다.
• 필드 에미션은 관찰되었지만 허용 가능한 수준을 유지하였으며, 심각한 쿠엔칭 또는 열적 불안정성이 발생하지 않았다.
• 시험 조건에서 멀티패킹이 주요 제한 요소로 나타나지 않았다.
• 펄스 조건에서 측정된 Q-팩터는 주어진 Qext에 대한 기대값과 일치하여 우수한 RF 커플링과 낮은 표면 손실을 확인하였다.
• 결과적으로, 고-Qext 커플러를 포함한 장착된 캐비티 설계가 향후 가속기 응용에서 고출력 작동에 가능함을 확인하였다.