LLRF theory and vector control interac2on with HOM signals - PowerPoint PPT Presentation

LLRF ¡theory ¡and ¡vector ¡control ¡ interac2on ¡with ¡HOM ¡signals ¡ Brian ¡Chase ¡ Fermilab ¡ ICFA ¡Workshop ¡on ¡High ¡Order ¡Modes ¡in ¡ Superconduc2ng ¡Cavi2es ¡ July ¡13-­‑16, ¡2014 ¡ Fermilab, ¡Chicago ¡ ¡ ¡

Outline ¡ • LLRF ¡basics ¡ ¡ ¡ • Receivers, ¡HOMs ¡and ¡the ¡reasons ¡for ¡RF ¡filters ¡ • Ques2ons ¡from ¡the ¡LLRF ¡perspec2ve ¡ ICFA ¡Workshop ¡on ¡High ¡Order ¡Modes ¡in ¡Superconduc2ng ¡Cavi2es ¡July ¡13-­‑16, ¡2014 ¡Fermilab, ¡Chicago ¡ 2 ¡

The ¡Goals ¡of ¡LLRF ¡ • Control ¡of ¡beam ¡parameters ¡ ¡ ¡ – through ¡genera2on ¡of ¡cavity ¡RF ¡waveforms ¡ – 2ght, ¡low ¡noise ¡regula2on ¡of ¡the ¡RF ¡ waveforms ¡in ¡cavi2es ¡ • we ¡spend ¡most ¡of ¡our ¡efforts ¡here ¡working ¡on ¡ controlling ¡the ¡fundamental ¡ – feedback ¡to ¡RF ¡systems ¡based ¡on ¡ measurements ¡of ¡beam ¡parameters ¡ ¡ • energy, ¡arrival ¡2me, ¡bunch ¡length ¡ ¡ – Resonance ¡control ¡of ¡cavi2es ¡ • mechanical ¡displacement ¡to ¡control ¡fundamental ¡ mode ¡– ¡no ¡reason ¡to ¡believe ¡HOMs ¡will ¡always ¡ track ¡ ICFA ¡Workshop ¡on ¡High ¡Order ¡Modes ¡in ¡Superconduc2ng ¡Cavi2es ¡July ¡13-­‑16, ¡2014 ¡Fermilab, ¡Chicago ¡ 3 ¡

Envelope ¡equa2on ¡ V ( t ) V ( t ) sin( t ) = ω × cav RF V gen τ t − V ( t ) V ( 1 e ) = − τ cav gen t ¡ LLRF ¡works ¡in ¡the ¡modula2on ¡ domain ¡of ¡the ¡RF ¡waveform ¡ Passband ¡and ¡HOMs ¡have ¡their ¡own ¡ ¡ envelope ¡func2ons ¡but ¡are ¡mostly ¡ ω ¡out ¡of ¡band ¡and ¡not ¡processed ¡by ¡LLRF ¡ RF ICFA ¡Workshop ¡on ¡High ¡Order ¡Modes ¡in ¡Superconduc2ng ¡Cavi2es ¡July ¡13-­‑16, ¡2014 ¡Fermilab, ¡Chicago ¡ 4 ¡

Driving ¡a ¡Cavity ¡+ ¡Beam ¡ R cav I G I B R cav L C b beam image current Z cav Required ¡Forward ¡Power: ¡ 2 2 2 ⎡ ⎤ ( ) 1 I I ⎛ + ⎞ ⎛ ⎞ β + P P 1 B sin tan B cos + ⎢ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎥ = φ + φ − φ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ g cav s z s 4 I I β ⎢ ⎥ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ o o PBM ¡and ¡HOMs ¡ ⎣ ⎦ create ¡a ¡small ¡ball ¡at ¡ the ¡end ¡of ¡Vcav ¡ Forward ¡Power ¡is ¡minimized ¡when: ¡ P 1 I β − = 1 B β + opt tan B cos cot φ = φ = φ opt P z opt s s I 1 β + cav o opt Source ¡impedance ¡is ¡only ¡defined ¡for ¡the ¡fundamental ¡frequency ¡ ICFA ¡Workshop ¡on ¡High ¡Order ¡Modes ¡in ¡Superconduc2ng ¡Cavi2es ¡July ¡13-­‑16, ¡2014 ¡Fermilab, ¡Chicago ¡ 5 ¡

Broadband ¡HLRF ¡response ¡ Typical ¡High ¡Power ¡Circulator ¡Specs ¡ ICFA ¡Workshop ¡on ¡High ¡Order ¡Modes ¡in ¡Superconduc2ng ¡Cavi2es ¡July ¡13-­‑16, ¡2014 ¡Fermilab, ¡Chicago ¡ 6 ¡

Control ¡of ¡a ¡cavity ¡  ¡Use ¡the ¡classic ¡“plant-­‑controller” ¡approach ¡ Controller ¡ Plant ¡(cavity) ¡ + ¡ ¡ Y(s) ¡ X(s) ¡ Err(s) ¡ + ¡ K(s) ¡ H(s) ¡ _ ¡ Feedback ¡ G(s) ¡ Y ( s ) H ( s ) K ( s ) Solve ¡close ¡loop ¡ = transfer ¡func2on ¡ ¡ X ( s ) 1 H ( s ) K ( s ) G ( s ) + ICFA ¡Workshop ¡on ¡High ¡Order ¡Modes ¡in ¡Superconduc2ng ¡Cavi2es ¡July ¡13-­‑16, ¡2014 ¡Fermilab, ¡Chicago ¡ 7 ¡

ASTA ¡CM1 ¡ Feedback ¡and ¡Ac2ve ¡Detuning ¡Compensa2on ¡On ¡ Each ¡cavity ¡is ¡following ¡its ¡own ¡tuning ¡trajectory ¡that ¡will ¡vary ¡over ¡2me ¡ • 8 ¡

Building ¡a ¡LLRF ¡system ¡ A ¡typical ¡LLRF ¡block ¡diagram ¡ The ¡controller ¡is ¡  buried ¡here ¡                                                                            Looks ¡a ¡lot ¡like ¡       BPM ¡hardware ¡                   ICFA ¡Workshop ¡on ¡High ¡Order ¡Modes ¡in ¡Superconduc2ng ¡Cavi2es ¡July ¡13-­‑16, ¡2014 ¡Fermilab, ¡Chicago ¡ 9 ¡

Controller ¡Firmware ¡ • ¡Other ¡passband ¡modes ¡may ¡be ¡unstable ¡with ¡feedback ¡on. ¡ ¡ ¡ ¡Adjustable ¡Notch ¡filters ¡at ¡8pi/9 ¡and ¡7pi/9 ¡provide ¡stability ¡ ¡ ¡ ¡but ¡not ¡regula2on ¡or ¡damping ¡ • ¡Control ¡loops ¡at ¡these ¡frequencies ¡are ¡possible ¡ ¡ ¡ ¡ ICFA ¡Workshop ¡on ¡High ¡Order ¡Modes ¡in ¡Superconduc2ng ¡Cavi2es ¡July ¡13-­‑16, ¡2014 ¡Fermilab, ¡Chicago ¡ 10 ¡

Ac2ve ¡control ¡of ¡Pass-­‑band ¡Modes? ¡ • LLRF ¡systems ¡today ¡have ¡the ¡ bandwidth ¡to ¡measure ¡and ¡control ¡ PIP-­‑II ¡Transit ¡2me ¡factors ¡ many ¡if ¡not ¡all ¡pass-­‑band ¡modes ¡ – 125 ¡MHz ¡ADC ¡sample ¡rate ¡is ¡common ¡ and ¡250 ¡MHz ¡or ¡higher ¡is ¡available ¡ – Current ¡FPGAs ¡have ¡the ¡gate ¡density ¡ available ¡to ¡put ¡control ¡loops ¡around ¡ each ¡mode ¡ • Drive ¡sources ¡such ¡as ¡klystrons ¡will ¡be ¡ the ¡bandwidth ¡limit ¡ ¡ – Solid ¡state ¡amplifiers ¡have ¡ considerably ¡more ¡bandwidth ¡ ICFA ¡Workshop ¡on ¡High ¡Order ¡Modes ¡in ¡Superconduc2ng ¡Cavi2es ¡July ¡13-­‑16, ¡2014 ¡Fermilab, ¡Chicago ¡ 11 ¡

1.3 ¡GHz ¡8 ¡Channel ¡Receiver ¡/ ¡Transmi8er ¡ • 8 ¡Channels ¡of ¡1.3 ¡GHz ¡to ¡13 ¡MHz ¡down ¡converters ¡ • 1 ¡transmioer ¡with ¡13 ¡MHz ¡IQ ¡modula2on ¡and ¡1.3 ¡GHz ¡output ¡ • Minimum ¡76 ¡dB ¡of ¡channel ¡to ¡channel ¡isola2on ¡ • RF ¡to ¡IF ¡conversion ¡loss ¡of ¡4 ¡dB ¡ • IF ¡output ¡noise ¡floor ¡of ¡-­‑153 ¡dBm/sqrt(Hz) ¡ ¡ • RF ¡input ¡1 ¡dB ¡compression ¡of ¡12.5 ¡dBm ¡ • Type-­‑N ¡RF ¡input ¡connectors, ¡Har2ng ¡8 ¡coax ¡IF ¡output ¡connector ¡ • Phase ¡temperature ¡stability ¡of ¡0.06 ¡degrees/ ¡degree ¡C ¡ • Amplitude ¡Temperature ¡stability ¡of ¡0.008 ¡dB ¡/ ¡degree ¡C ¡ ¡

Frequency ¡Mixer ¡(Ideal) ¡ Drawing ¡courtesy ¡of ¡ Marki ¡Microwave ¡ y IF ( t ) = y RF ( t ) × y LO ( t ) y RF ( t ) = y IF ( t ) × y LO ( t ) f IF Down ¡conversion ¡conserves ¡phase, ¡thus ¡lowering ¡jioer ¡sensi2vity ¡by: ¡ ¡ f RF ICFA ¡Workshop ¡on ¡High ¡Order ¡Modes ¡in ¡Superconduc2ng ¡Cavi2es ¡July ¡13-­‑16, ¡2014 ¡Fermilab, ¡Chicago ¡ 13 ¡