Breakdown in All Seasons Cavity K. Yonehara APC, Fermilab - PowerPoint PPT Presentation

Breakdown ¡in ¡All ¡Seasons ¡Cavity ¡ K. ¡Yonehara ¡ APC, ¡Fermilab ¡

Electron ¡dynamics ¡ • ¡Consider ¡only ¡surface ¡emission ¡electrons ¡ • ¡Electrons ¡are ¡accelerated ¡by ¡RF ¡field ¡ e ¡ ¡ ( ) ( ) = cE 0 sin 2 π ft + φ 0 1 − β 2 t 3/2 ( ) ¡ ( ) β t ! RF ¡field ¡ m e ¡ • ¡They ¡arrive ¡at ¡opposite ¡RF ¡wall ¡and ¡release ¡ ¡ ¡ ¡ ¡impact ¡energy ¡ K = γ m e Fowler-­‑Noldheim ¡formula ¡ 0.001 2 " % 5 ¥ 10 - 4 Exp − B fn φ 3/2 ( ) ) = A fn β E Current Density ( i β E $ ' 2 ¥ 10 - 4 β E φ # & E ¡= ¡22 ¡MV/m ¡ 1 ¥ 10 - 4 A fn ¡= ¡1.54e6 ¡eV ¡A ¡MV -­‑2 ¡ 5 ¥ 10 - 5 Impact ¡energy ¡ B fn ¡= ¡ ¡6830 ¡MV ¡m -­‑1 ¡ eV -­‑3/2 ¡ Work ¡funcWon ¡= ¡5 ¡eV ¡ 2 ¥ 10 - 5 ( ) = i β E ( ) K E ( ) p E b ¡= ¡100 ¡ 1 ¥ 10 - 5 0.10 0.15 0.20 0.30 0.50 0.70 1.00 RF phase H ¥ p ê 2 rad L

Geometry ¡of ¡ASC ¡ There ¡are ¡two ¡gaps ¡in ¡the ¡cavity ¡ Maximum ¡surface ¡gradient ¡at ¡iris ¡(MV/m) ¡ RF ¡gap ¡ Iris ¡gap ¡ MagneWc ¡field ¡(T) ¡

Field ¡map ¡in ¡ASC ¡ 1.4 Field ¡enhancement: ¡ ¡ 1.2 RF ¡gap ¡(l ¡= ¡150 ¡mm) ¡ • ¡Surface ¡grad ¡at ¡RF ¡gap ¡= ¡1.25 ¡ • ¡Surface ¡grad ¡at ¡iris ¡gap ¡= ¡1.42 ¡ 1.0 Iris ¡gap ¡(l ¡= ¡130 ¡mm) ¡ E @ arb. D Thus, ¡the ¡observed ¡maximum ¡gap ¡22 ¡MV/m ¡(iris) ¡ 0.8 corresponds ¡to ¡19.4 ¡MV/m ¡on ¡the ¡RF ¡gap ¡surface ¡ 0.6 0.4 0.2 0.0 - 6 - 4 - 2 0 2 4 6 z H cm L

β ¡and ¡K ¡in ¡ASC ¡ Red: ¡RF ¡gap ¡ Red: ¡RF ¡gap ¡ Blue: ¡Iris ¡gap ¡ Blue: ¡Iris ¡gap ¡ 1.0 1.0 0.5 0.8 K H MeV L 0.6 0.0 b 0.4 - 0.5 0.2 0.0 - 1.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 t H nsec L t H nsec L RF ¡frequency ¡= ¡800 ¡MHz ¡ IniWal ¡RF ¡phase ¡= ¡0 ¡degree ¡ IniWal ¡electron ¡kineWc ¡energy ¡= ¡0 ¡eV ¡ Maximum ¡surface ¡gradient ¡= ¡22 ¡MV/m ¡

KineWc ¡energy ¡of ¡electron ¡at ¡wall ¡ ¡ as ¡a ¡funcWon ¡of ¡iniWal ¡RF ¡phase ¡ Iris ¡gap ¡ RF ¡gap ¡ 3.0 3.0 Surface ¡gradient ¡at ¡iris ¡ Surface ¡gradient ¡at ¡iris ¡ 2.5 22 ¡MV/m ¡(Blue) ¡ ¡ 2.5 22 ¡MV/m ¡(Blue) ¡ ¡ 21 ¡MV/m ¡(Magenta) ¡ 21 ¡MV/m ¡(Magenta) ¡ 2.0 20 ¡MV/m ¡(Yellow) ¡ 2.0 20 ¡MV/m ¡(Yellow) ¡ K H MeV L K H MeV L 19 ¡MV/m ¡(Green) ¡ 19 ¡MV/m ¡(Green) ¡ 1.5 1.5 1.0 1.0 0.5 0.5 0.0 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 RF phase H ¥ p ê 2 rad L RF phase H ¥ p ê 2 rad L • ¡KineWc ¡energy ¡at ¡the ¡RF ¡gap ¡is ¡~ ¡20 ¡% ¡higher ¡than ¡that ¡at ¡the ¡iris ¡ ¡ ¡ ¡although ¡the ¡surface ¡gradient ¡at ¡the ¡RF ¡gap ¡is ¡~ ¡15 ¡% ¡lower ¡ • ¡KineWc ¡energy ¡at ¡the ¡iniWal ¡RF ¡phase ¡ π /2 ¡is ¡zero ¡ ¡ ¡ ¡ ▷ ¡Electrons ¡cannot ¡reach ¡to ¡the ¡wall ¡at ¡this ¡RF ¡phase ¡ • ¡KineWc ¡energy ¡near ¡zero ¡iniWal ¡RF ¡phase ¡is ¡also ¡zero ¡ ¡ ¡ ¡ ▷ ¡We ¡omiced ¡detail ¡study ¡near ¡zero ¡phase ¡because ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡it’s ¡not ¡important ¡for ¡the ¡impact ¡energy ¡analysis ¡

Impact ¡energy ¡of ¡electron ¡at ¡wall ¡ ¡ as ¡a ¡funcWon ¡of ¡iniWal ¡RF ¡phase ¡ Iris ¡gap ¡ RF ¡gap ¡ 100 100 Surface ¡gradient ¡at ¡iris ¡ Impact Energy H J ê mm 2 L Impact energy H J ê mm 2 L 22 ¡MV/m ¡(Blue) ¡ ¡ 21 ¡MV/m ¡(Magenta) ¡ 1 1 20 ¡MV/m ¡(Yellow) ¡ 19 ¡MV/m ¡(Green) ¡ 0.01 0.01 Surface ¡gradient ¡at ¡iris ¡ 22 ¡MV/m ¡(Blue) ¡ ¡ 10 - 4 10 - 4 21 ¡MV/m ¡(Magenta) ¡ 20 ¡MV/m ¡(Yellow) ¡ 19 ¡MV/m ¡(Green) ¡ 10 - 6 10 - 6 0.2 0.4 0.6 0.8 0.2 0.4 0.6 0.8 RF phase H ¥ p ê 2 rad L RF phase H ¥ p ê 2 rad L • ¡Impact ¡energy ¡at ¡the ¡iris ¡gap ¡is ¡about ¡two ¡orders ¡of ¡magnitude ¡larger ¡than ¡ ¡ ¡ ¡ ¡that ¡at ¡the ¡RF ¡gap! ¡ • ¡Maximum ¡impact ¡energy ¡is ¡taken ¡place ¡at ¡the ¡iniWal ¡RF ¡phase ¡45 ¡degrees ¡ If ¡this ¡hypothesis ¡is ¡true, ¡then ¡the ¡most ¡breakdown ¡events ¡should ¡be ¡taken ¡place ¡ ¡ at ¡the ¡iris ¡gap!! ¡ ¡ ↔ ¡However, ¡the ¡hypothesis ¡is ¡inconsistent ¡with ¡the ¡experimental ¡result… ¡

Pit ¡image ¡aher ¡December ¡run ¡ RF ¡gap ¡ Iris ¡gap ¡ Downstream ¡plate ¡ Upstream ¡plate ¡ Breakdown ¡happens ¡at ¡the ¡RF ¡gap ¡as ¡well ¡as ¡at ¡the ¡iris ¡gap! ¡

Why ¡impact ¡energy ¡at ¡iris ¡gap ¡is ¡so ¡ large? ¡ Surface ¡grad ¡at ¡the ¡iris ¡is ¡15 ¡% ¡higher ¡than ¡that ¡at ¡the ¡RF ¡one. ¡ If ¡the ¡field ¡enhancement ¡factor ¡ β ¡is ¡uniform ¡in ¡the ¡cavity ¡the ¡ ¡ breakdown ¡probability ¡at ¡iris ¡is ¡the ¡highest. ¡ ¡ However, ¡if ¡the ¡field ¡enhancement ¡becomes ¡low ¡by ¡15 ¡% ¡at ¡the ¡ ¡ iris ¡during ¡condiWoning ¡what ¡happen ¡then? ¡ β E ¡becomes ¡equal ¡between ¡at ¡the ¡RF ¡gap ¡and ¡at ¡the ¡iris ¡so ¡that ¡ ¡ the ¡breakdown ¡could ¡take ¡place ¡at ¡the ¡RF ¡gap. ¡

Breakdown ¡pit ¡image ¡ In ¡fact, ¡the ¡pit ¡is ¡uniformly ¡distributed ¡ We ¡also ¡noWced ¡that ¡the ¡pit ¡pair ¡has ¡ ¡ two ¡orientaWons ¡ The ¡pit ¡pair ¡which ¡has ¡~ ¡60 ¡degrees ¡ seems ¡to ¡be ¡distributed ¡on ¡the ¡iris ¡ ¡ Red: ¡Upstream ¡plate ¡ Blue: ¡Downstream ¡plate ¡ gap… ¡ ¡

Breakdown ¡pit ¡image ¡at ¡RF ¡center ¡ Blue: ¡Upstream ¡plate ¡ Red: ¡Downstream ¡plate ¡ 30.11 ¡mm ¡ 150 ¡degrees ¡is ¡ ¡ dominant ¡at ¡RF ¡center ¡ -­‑28.96 ¡mm ¡ 28.96 ¡mm ¡ -­‑30.11 ¡mm ¡

Hypothesis ¡ • ASC ¡was ¡condiWoned ¡without ¡ magneWc ¡field ¡ Plot ¡shows ¡the ¡cychrotron ¡ • Many ¡BD ¡pits ¡were ¡generated ¡ wavelength ¡as ¡a ¡funcWon ¡of ¡ magneWc ¡field ¡strength. ¡ around ¡the ¡iris ¡gap ¡ Dark ¡current ¡should ¡follow ¡ ¡ the ¡magnet ¡flux. ¡ • β E ¡at ¡iris ¡and ¡ β E ¡at ¡RF ¡gap ¡became ¡ equal ¡ • Magnet ¡was ¡turned ¡on ¡ • Another ¡BD ¡pits ¡were ¡generated ¡at ¡ the ¡RF ¡gap ¡as ¡well ¡as ¡the ¡iris ¡gap ¡ If ¡this ¡hypothesis ¡is ¡correct, ¡the ¡pit ¡pairs ¡that ¡are ¡the ¡angle ¡~ ¡60 ¡degrees ¡ are ¡generated ¡without ¡the ¡magneWc ¡field ¡while ¡the ¡other ¡pit ¡pairs ¡that ¡are ¡ the ¡angle ¡~ ¡150 ¡degrees ¡are ¡generated ¡with ¡the ¡magnet ¡ ¡

Conclusion ¡ • Hypothesis ¡is ¡proposed ¡to ¡explain ¡why ¡we ¡ have ¡two ¡orientaWons ¡of ¡pit ¡pair ¡ • If ¡hypothesis ¡is ¡correct ¡we ¡see ¡that ¡the ¡ observed ¡magneWc ¡field ¡dependence ¡ represents ¡the ¡cavity ¡performance ¡under ¡ magneWc ¡field ¡ • However, ¡we ¡sWll ¡do ¡not ¡know ¡why ¡the ¡dark ¡ current ¡has ¡an ¡orientaWon ¡60 ¡degrees ¡when ¡ the ¡magnet ¡is ¡turned ¡off ¡