Cavité radio fréquence à modes d'ordres supérieurs fortement atténue��s pour l'ESRF

• Auteur / Autrice : Nicolas Guillotin
• Direction : Jean-Michel Ortéga
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrons

Synchrotrons

Mots clés libres

Cavité radio fréquence

Modes d'ordres supérieurs

Code de simulation électromagnétique

Anneau de stockage

Résumé

A L’ESRF, les instabilités longitudinales multi paquets générées par les modes d’ordres supérieurs (HOM) des cavités sont maîtrisés par un contrôle de la température des cavités cuivre, permettant d’atteindre une intensité de 200 mA dans l’anneau de stockage. Récemment, le développement d’un système complémentaire d’asservissement en phase des paquets d’électrons a permis d’atteindre une intensité de 300 mA. Un axe majeur du travail de thèse a consisté au développement d’une cavité mono-cellule 352 MHz à HOM fortement atténués en vue d���une opération à 500 mA sans boucle d’asservissement. Cette étude s’est basée sur un modèle de cavité 500 MHz développé à BESSY, où l’absorption de la puissance des HOM est assurée par des ferrites placées dans trois guides d’ondes cylindriques identiques comportant chacun deux nervures. Un premier prototype correspondant à une mise à l’échelle de ce modèle pour 352 MHz a été optimisé par simulations électromagnétiques. Les spectres d’impédances de ce prototype ont aussi été mesurés, soulignant quelques différences avec les simulations. Cette structure apporterait une atténuation suffisante des HOM pour atteindre, avec 18 cavités, une intensité de 500 mA. Néanmoins, cette solution imposerait des atténuateurs de 1. 4 m incompatibles avec les dimensions du tunnel. Un nouveau travail de simulation a alors permis d’aboutir à un design incluant un atténuateur très court à quatre nervures et deux autres bi-nervurés. Des mesures sur le second prototype devraient confirmer une atténuation plus forte des HOM. Une alternative, basée cette fois sur le contrôle en température de cavités 500 MHz de type ELETTRA adaptées pour l’ESRF, a aussi été simulée.

At the ESRF, longitudinal coupled bunch instabilities (LCBI) driven by higher order modes (HOM) are avoided up to the nominal beam current of 200 mA by precisely controlling the radio frequency cavity temperatures. A maximum of 300 mA was recently stored in the storage ring with a new longitudinal bunch-by-bunch feedback. The aim of this thesis was to design a strongly damped 352 MHz single-cell normal conducting cavity to eventually reach at term a 500 mA stored current without feedback system. The study was based on a cavity developed at BESSY for 500 MHz with three identical homogeneous double ridge waveguides (DRWG) loaded by ferrite blocks to damp the HOM. A first aluminium low power prototype scaled from this cavity was optimized at the ESRF by means of electromagnetic simulations. The longitudinal and transverse HOM impedances measured in the prototype matched generally well the computed values except for some modes. This first iteration yielded just enough HOM damping to suppress all LCBI up to 500 mA of stored beam with eighteen such cavities in the ring. However, the required 1. 4 m long HOM dampers would not fit in the existing tunnel. The dampers were then completely reworked by simulations leading to an innovative solution, including a short quadruple ridge waveguide and two DRWG with reduced size, which should significantly lower the HOM impedances. As an alternative to HOM damping, temperature tuning of HOM applied to a scaling of the 500 MHz ELETTRA single-cell cavity was also investigated numerically.