Beam Loading Studies for Cavity Phase and Amplitude Setting

Abstract

The purpose of this thesis is to study beam-cavity interactions, with a focus on how to maintain an unperturbed acceleration field in a conducting cavity with a proton beam present. The impact on a cavity acceleration field from different perturbation sources is investigated through computer simulations of a theoreti- cal model based on a resonant circuit. Perturbations from the RF input pulse to the cavity, from the cavity field control system and from the proton beam pulse shape are investigated.

The cavity field control system is dependent on accurate measurement of the beam phase and accelerator operation requires accurate measurements of the beam position. Therefore the thesis also aims to analyze the limitations of beam position monitors (BPMs) in detecting the phase and position of the proton beam, and to analyze and identify relative performance degradation of beam phase de- tection when measuring a low current beam with varying pulse length. This is done through measurements on a scale model of a pipe section with BPMs.

The theory section gives an overview of the cavity model, cavity beam load- ing, beam position monitoring and phase scan theory. RF input pulses that gener- ates the required cavity field while fulfilling cavity perturbation criteria are iden- tified. Finally the thesis attempts to improve linear accelerator performance by finding RF input pulses and cavity settings that minimize energy consumption while also fulfilling the requirements for cavity field stability and BPM accuracy.

Popular Abstract (Swedish)

ESS linjäraccelerator ska korrigera störningar innan de uppstår.
I Lund pågår just nu bygget av europas nya anlägg- ning för forskning med neutronspridning, ESS. Neu- tronspridning är en icke-destuktiv metod för att stu- dera rörelser och strukturer på molekylnivå. Meto- den används som komplement till röntgenstrålning. På liknande sett som man med röntgenstrålning kan se igenom huden på en människa och visa ben och metall så kan man med neutronspridning se igenom metall och visa plast, västskor och keramer.
Neutronspridning kräver neutroner med relativt hög energi. Eftersom neutroner saknar laddning kan de inte accelereras direkt. Istället accelererar man protoner som sedan kollideras med ett mål av vol- fram; ett material med mycket hög densitet. Vid kol- lisionen krockar protonerna med neutroner i målet. Protonerna överför en del av sin energi till neutro- nerna, som då slås loss från målet. Dessa högenerge- tiska neutroner leds sedan vidare till provet man vill studera.
För att accelerera protonerna används en linjärac- celerator. I linjäracceleratorn finns ett antal accelera- tionssteg som med hjälp av elektriska fält tillför ener- gi till protonerna. För att protonerna ska få rätt acce- leration vid varje accelerationssteg måste den elekt- riska fältstyrkan och fältets fas hållas på rätt nivå. Men eftersom protonerna är laddade partiklar så stör de fältet när de passerar. Därför måste man reglera fälten för att korrigera för störningarna från proto- nerna.
I acceleratorns första steg skapas protonerna i pul- ser som tillsammans bildar en pulserad stråle av pro- toner som accelereras mot målet. Formen på pulser- na, deras längd och strömstyrka, påverkar hur stor störningen blir på accelerationsstegens elektriska fält. Pulsernas form påverkar också hur svårt det är att mäta strålens position och fas, information som är kritisk för acceleratorns reglersystem.
För att ställa in rätt fas och amplitud på accele- rationsstegens elektriska fält använder man så kallad fasskanning. Något förenklat kan det beskrivas som att man mäter på en stråle med väldigt korta pul- ser och väldigt låg strömstyrka och jämför mätdatat med data från datormodeller och kalibrerar utifrån
vilken modell som passar bäst med mätdatat. Meto- den fungerar väldigt bra förutsatt att man kan mäta strålens fas med hög precision. Metoden kräver också att accelerationsstegen kalibreras ett i taget från käl- lan till målet, där bara de tidigare stegen är igång. Strålen måste dock mätas efter steget som kalibreras och är då mycket ofokuserad och strömsvag, vilket ställer höga krav på acceleratorns mätsystem.
Mätsystemet måste både kunna mäta strålens fas, för kalibreringen, och dess position, för att undvika att strålen avviker från den avsedda vägen och ska- dar acceleratorn. Strålens position måste gå att mäta med en precision av 100 μm och en upplösning om 20 μm. Strålens fas måste kunna mätas med en precision av 1◦ och en upplösning om 0.2◦.
De reglersystem som undersökts med hjälp av datormodeller är ett feedback-system och ett feedforward-system. Med feedback-system menas att man mäter felet och utifrån någon korrigeringsmodell justerar systemet i realtid. En vanlig implementation är PID-regulatorn där man justerar baserat på om signalen är större eller mindre än önskar, felets stor- lek över tid och om felets storlek minskar eller ökar för tillfället.
Ett problem med feed-back system är att det upp- står en fördröjning, om än kort, mellan det att felet mäts och korrigeringen utförs. Eftersom acceleratio- nen sker på väldigt små tidskalor riskerar kan för- djörningen göra att korrigeringen sker efter det att störningen uppstått och passerat, och därför skapar ett fel istället för att korrigera för ett.
Med feedforward försöker man förutspå felet uti- från tidigare körningar och datormodeller och korri- gera för det innan det uppstår. För att detta ska fun- gera måste systemets beteende vara förutsägbart och konstant över tiden. Det ställer också höga krav på att matcha justeringen med störningen från strålen, om matchningen inte stämmer kvarstår det ursprung- liga felet och ett nytt fel tillkommer från matchning- en, se figur 2.
Felmarginalerna för accelerationsstegen är 0.5 % av den elektriska fältstyrkan och 0.5◦ i fas. Striktare marginaler, 0.1 % av den elektriska fältstyrkan och 0.1◦ i fas är under övervägande. Testade strålström- styrkor från 2.5 mA till 62.5 mA. Testade pulslängder från 1 μs till 20 μs.
1
Figur 1: Blockdiagram av ESS linjäraccelerator. Alla segment är rumstempererade utom ”Spokes”, ”Medium β” och ”High β” som kyls ner för att bli supraledande.
När feedback-korrigering användes minskade stör- ningarna påtagligt jämfört med utan, men var fortfa- rande långt ifrån godtagbara. Resultaten blev något bättre med kraftigare korrigering men den maxima- la strålströmstyrkan var fortfarande låg, 4.5 mA vid 0.5 % gränser.
Feedforward korrigering visade sig fungera väldigt bra redan med ett matchningsfel på 1 μs, och när matchningsfelet minskades till 0.1 μs så låg felen in- om kravmarginalerna för att testade scenarier och även med de striktaste kravmarginalerna så funge- rade strömstyrkor upp till 20.5 mA och alla pulsläng- der.
Simuleringar med en kombination av feedback- och feedforward-korrigering gav dock sämre resultat än enbart feedforward-korrigering. Resultaten blev mindre dåliga med svagare feed-back korrigering men ändå sämre än med enbart feed-forward korrigering, vilket tyder på att feed-back systemet är problemet. Troligen så blir fördröjningen mellan mätning och korrigering för stor för feedback-systemet när det ska korrigera de små kvarvarande felen efter feedforward- korrigeringen. Feedback-systemets korrigering skapar då större störningar än det kompenserar.
Figur 2: Schematisk bild av matchningsfel för feedforward-korrigering.
För att feedforward-korrigeringen ska fungera krävs att acceleratorns mätsystem lever upp till kra- ven på precision och upplösning när det gäller mät- ningar av strålens fas. Utan precisa mätningar blir inte korrigeringen korrekt och kan heller inte matchas korrekt, störningarna blir då större än simuleringarna visar.
Flera parametrar, bland annat strålens hastighet, rörsegementens diameter och positionsgivarnas stor- lek avgör signalstyrkan från positionsgivaren. Linjä- racceleratorn vid ESS kommer att ha rörsegment med 60 mm och 100 mm diameter. De smalare rörsege- menten används i de rumstempererade delarna och de tjockare i de supraledande delarna, se figur 1. To- talt kommer systemet att ha 140 positionsgivare av olika typer. Givarna placeras fyra och fyra runt röret för att man ska kunna bestämma strålens position med tillräckligt hög precision.
Mätningarna på modellen av mätsystemet visar att en strålströmstyrka om 6.25 mA är tillräckligt för att bestämma strålens fas och position under nor- mal drift. Lägre strålströmstyrkor leder till mind- re störningar av accelerationsstegens elektriska fält, dessvärre skapar de stora svårigheter för mätsyste- met. Under uppstarten av anläggningen då accele- rationsstegen kalibreras bör därför strålströmstyrkan och pulslängden hållas så stor respektive så lång som möjligt inom ramen för ett stabilt elektriskt fält i ac- celerationssteget för att ge bästa möjliga precision för mätningarna.

• author: Rydén, Staffan
• supervisor: Anders J Johansson; Rihua Zeng
• organization: Department of Electrical and Information Technology
• course: EITM01 20141
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: ESS, accelerator, cavity, proton beam
• report number: LU/LTH-EIT 2015-440
• language: English
• id: 5433158
• date added to LUP: 2015-05-27 11:28:43
• date last changed: 2016-02-04 15:05:03