LLRF Control Techniques for the European XFEL Continuous Wave Upgrade

Abstract

In this doctoral thesis, possible solutions for superconducting cavity control systems operating in the Continuous Wave(CW) regime are discussed and analyzed. The paper focuses on the requirements for adding a CW mode of operationto European XFEL alongside the existing pulsed mode of operation. The main challenge from a control system point of view stems from the need to use a loaded quality factor (QL) in the range of 107-108. Such a (QL) is an order of magnitude greater than the actual value that is used in the pulsed mode of operation. As aresult, the cavity tune is more sensitive to microphonic effects. For this reason, active noise compensation techniques are required in order to limit the overall power consumption of the accelerating system, and to increase the energy stability of the accelerated beam. Another effect present in the future upgrade are ponderomotive instabilities. These instabilities result from the nonlinear coupling between the Lorentz force-induced detuning and the cavity acceleration field. These in-stabilities are then analyzed and a possible compensation scheme is proposed. In order to obtain a precise estimate of the cavity detuning, a real-time detuning estimator has been developed. This component, necessary for resonance control systems, is also used for the estimation of the cavity quality factor in order to realize a quench detection system. The last topic is about the linearization of radio frequency amplifiers based on vacuum tubes used to produce power the superconducting cavities. The reason for doing a linearization of these amplifiers is the improvement of the field stability and the simplification of setup procedures of the RF control system. For this study, Klystrons and Induction Output Tube (IOT) amplifiers were used.

In questa tesi di dottorato vengono illustrate e analizzate possibili soluzioni nell’ambito dei sistemi di controllo per cavità superconduttive di modello TESLA operanti in regime continuo. L’elaborato si concentra sulle richieste necessarie per procedere all’aggiunta di una modalità di operazione continua a European XFEL accanto alla preesistente modalità pulsata. La principale sfida da affrontare dal punto di vista dei sistemi di controllo deriva dalla necessità di usare un fattore di qualità delle cavità (QL) in un intervallo di 107-108, un ordine di grandezza maggiore rispetto al valore usato in modalità pulsata. Di conseguenza si ha una maggiore sensibilità del tune agli effetti microfonici. Per tal motivo è richiesto lo sviluppo di soluzioni di compensazione attiva del rumore al fine di limitare i consumi complessivi del sistema accelerante, e di aumentare la stabilità energetica del fascio accelerato. Un altro effetto presente nel futuro upgrade è la presenza di instabilità ponderomotive dipendenti dall’accoppiamento nonlineare tra Lorentz Force Detuning e campo accelerante. Tali effetti sono quindi analizzati e viene proposto un possibile schema di compensazione. Al fine di ottenere una precisa stima del detuning delle cavità è stato inoltre sviluppato un sistema di calcolo in tempo reale dello stesso. Tale componente, necessario per i sistemi di controllo di risonanza, viene inoltre utilizzato per la stima del fattore di qualità delle cavità al fine di realizzare un sistema di rivelazione di quench. L’ultimo argomento trattato è la linearizzazione di amplificatori a radiofrequenza basati su tubi di vuoto necessari al funzionamento del sistema di accelerazione al fine di migliorare la stabilità e la facilità di utilizzo del sistema di controllo a radiofrequenza. Per tale studio, sono stati utilizzati amplificatori di tipo Klystron e Induction Output Tube (IOT).

In dieser Doktorarbeit werden mögliche Lösungen für supraleitende Hohlraumregelsysteme, die im Continuos Wave (CW)-Regime arbeiten, diskutiert und analysiert. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf den Anforderungen, die erfüllt sein müssen, um den European XFEL neben der bestehenden gepulsten Betriebsart um eine CW-Betriebsart zu erweitern. Die größte Herausforderung aus Sicht des Regelsystems ergibt sich aus der Notwendigkeit, einen geladenen Qualitätsfaktor (QL) im Bereich von 107-108 zu verwenden. Ein solcher (QL) ist eine Größenordnung größer als der tatsächliche Wert, der in der gepulsten Betriebsart verwendet wird. Infolgedessen ist die Gestimmtheit des Resonators empfindlicher gegenüber mikrofonischen Effekten. Aus diesem Grund sind aktive Lärmkompensationsverfahren erforderlich, um den Gesamtverbrauch des Beschleunigungssystems zu begrenzen und die Energiestabilität des beschleunigten Strahls zu erhöhen. Ein weiterer Effekt, der bei der zukünftigen Nachrüstung vorhanden ist, sind ponderomotorische Instabilitäten. Diese Instabilitäten resultieren aus der nichtlinearen Kopplung zwischen der Lorentzkraft bedingten Verstimmung und dem Hohlraumbeschleu-nigungsfeld. Diese Instabilitäten werden analysiert und ein mögliches Kompensationsschema wird vorgeschlagen. Um eine genaue Schätzung der Hohlraumverstimmung zu erhalten, wurde ein Echtzeitverstimmungschätzer entwickelt. Diese Komponente, die für Resonanzregelsysteme erforderlich ist, wird auch für die Schätzung des Hohlraumqualitätsfaktors verwendet, um ein Quenchdetektionssystem zu realisieren. Das letzte Thema befasst sich mit der Linearisierung von Hochfrequenzverstärkern auf der Basis von Vakuumröhren, die zur Stromerzeugung der supraleitenden Kavitäten verwendet werden. Der Grund für die Durchführung einer Linearisierung dieser Verstärker ist die Verbesserung der Feldstabilität und die Vereinfachung der Setup-Prozeduren des HF-Regelsystems. Für diese Studie wurden Klystrons und IOT-Verstärker (Induction Output Tube) verwendet.