Conception et optimisation de coupleurs de modes d'ordre supérieur pour les cavités supraconductrices de l'accélérateur à récupération d'énergie PERLE

Design and optimization of higher order mode couplers for the superconducting cavities of the PERLE energy recovery linac

• Auteur / Autrice : Carmelo Barbagallo
• Direction : Fabian Zomer, Guillaume Olry, Patricia Duchesne, Haipeng Wang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des accélérateurs
• Date : Soutenance le 21/10/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Achille Stocchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ursula van Rienen, Carsten Welsch, Enrico Cenni, Anne-Marie Valente-Feliciano
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ursula van Rienen, Carsten Welsch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiofréquences

Électromagnétisme

Accélérateurs d'électrons

Impédance électrique

Mots clés libres

PERLE

ERL

BBU

Coupleurs HOM

Impédance

Mesures RF

PERLE

ERL

BBU

HOM couplers

Impedance

RF measurements

Résumé

PERLE (Powerful Energy Recovery Linac for Experiments) est un accélérateur linéaire à recouvrement d'énergie (ERL) basé sur la technologie à cavité radiofréquence supraconductrice qui sera installé au Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie (IJCLab) en France. Avec une puissance de faisceau cible de 10 MW, PERLE vise à démontrer le fonctionnement multi-passe à haute intensité en onde continue pour valider des options pour les futures machines à haute énergie, telles que l'ERL de 50 GeV proposé pour LHeC (Large Hadron Electron Collider) et FCC-eh (Future Circular Electron-Hadron Collider), et à accueillir des expériences dédiées en physique des particules et en nucléaire. Dans les ERLs à haute intensité, l'instabilité de Beam Breakup (BBU), résultant de l'interaction entre le faisceau et les modes d'ordre supérieur (HOMs) des cavités, est une préoccupation majeure pour leur fonctionnement stable. Les HOMs induits par le faisceau peuvent augmenter la charge thermique de la cavité à température cryogénique et causer des instabilités du faisceau. Des coupleurs HOM sont installés dans les tubes de faisceau de la cavité pour absorber l'énergie des HOMs et atténuer ces effets. Cette thèse présente la conception et l'optimisation de plusieurs coupleurs HOM coaxiaux pour les cavités elliptiques en Nb avec 5 cellules à 801,58 MHz de la configuration PERLE ERL à 500 MeV. La transmission RF des coupleurs HOM a été optimisée pour améliorer l'amortissement des HOMs les plus dangereux. Les coupleurs HOM optimisés ont été intégrés dans des groupes d'extrémité pour simuler leur performance d'amortissement et leur comportement thermique. Les coupleurs HOM optimisés ont été imprimés en 3D en époxy et revêtus de cuivre. Des mesures RF à faible puissance ont été effectuées sur les coupleurs HOM produits installés dans des cavités en cuivre de type PERLE pour valider leur performance d'amortissement et proposer plusieurs groupes d'extrémité pour la cavité PERLE avec 5 cellules afin d'atténuer les HOMs en dessous des limites d'instabilité BBU.

The Powerful Energy Recovery Linac for Experiments (PERLE) is an energy recovery linac (ERL) facility based on superconducting radio-frequency (SRF) technology to be hosted at the Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie (IJCLab) in France. With a target beam power of 10~MW, PERLE aims to demonstrate the high-current, continuous wave, multi-pass operation to validate options for future high-energy machines, such as the 50 GeV ERL proposed for the Large Hadron Electron Collider (LHeC) and the Future Circular Electron-Hadron Collider (FCC-eh), and host dedicated particle physics and nuclear experiments. In high-current ERLs, the regenerative Beam Breakup (BBU), emerging from the beam and cavity Higher Order Modes (HOMs) interaction, is a major concern for their stable operation. Beam-induced HOMs can increase the cavity heat load at cryogenic temperature and cause beam instabilities. HOM couplers are installed in the cavity beam pipes to absorb HOM energy and mitigate these effects. This thesis presents the design and optimization of several coaxial HOM couplers for the 5-cell 801.58 MHz elliptical Nb cavities of the 500 MeV PERLE ERL configuration. The RF transmission of the HOM couplers was optimized to enhance the damping of the most dangerous HOMs. The optimized HOM couplers were integrated into endgroups to simulate their damping performance and thermal behavior. The optimized HOM couplers were 3D-printed in epoxy and copper-coated. Low-power RF measurements were conducted on the produced HOM couplers installed in copper PERLE-type cavities to validate their damping performance and propose several endgroups for the PERLE 5-cell cavity to mitigate HOMs below the BBU instability limits.