Propose fast electron counter in MTA RF test K. Yonehara - - PowerPoint PPT Presentation

Propose ¡fast ¡electron ¡counter ¡in ¡ MTA ¡RF ¡test ¡

• K. ¡Yonehara ¡and ¡A. ¡Tollestrup ¡

APC, ¡Fermilab ¡

1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 1 ¡

Task ¡of ¡the ¡project ¡

• RF ¡caviFes ¡should ¡be ¡operated ¡in ¡magnets ¡for ¡muon ¡

ionizaFon ¡cooling ¡ ¡

• Understand ¡the ¡mechanism ¡of ¡RF ¡breakdown ¡

– Maximum ¡RF ¡gradient ¡is ¡limited ¡by ¡external ¡magneFc ¡fields ¡

1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 2 ¡ Maximum ¡surface ¡gradient ¡at ¡iris ¡(MV/m) ¡

MagneFc ¡field ¡(T) ¡ Result ¡in ¡805 ¡MHz ¡Test ¡cavity ¡(Dec. ¡’13) ¡

RF ¡gap ¡

L ¡= ¡150 ¡mm ¡

Iris ¡gap ¡

L ¡= ¡130 ¡mm ¡

Eiris > ERF

805 ¡MHz ¡Test ¡cavity ¡

SS ¡Thickness ¡2.6” ¡ 2.894” ¡ 5.724” ¡ SS ¡Thickness ¡1.5” ¡

Power ¡coupler ¡

• Max. ¡RF ¡grad. ¡> ¡25 ¡MV/m ¡@ ¡B ¡= ¡0 ¡T ¡

→ ¡20 ¡MV/m ¡@ ¡B ¡> ¡0.25 ¡T ¡

One ¡hypothesis ¡

1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 3 ¡

All-­‑Seasons ¡cavity ¡ ¡ = ¡805 ¡MHz ¡Test ¡cell ¡

Present ¡test ¡vehicle ¡ ¡ “MICE ¡201 ¡MHz ¡RF ¡Cell” ¡

1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 4 ¡

Single ¡cavity ¡vessel ¡at ¡Mucool ¡Test ¡Area ¡ Be ¡window ¡(thickness ¡0.38 ¡mm) ¡

Detector ¡configuraFon ¡in ¡past ¡

Lecroy ¡wave ¡runner ¡625 ¡Zi ¡ NaI ¡crystal ¡ 1 ¡m ¡ 1 ¡m ¡ 201 ¡MHz ¡ MICE ¡RF ¡ 7835 ¡Triode ¡ 5 ¡MW ¡Amp ¡ + ¡Modulator ¡ ¡ Tektronix ¡DPO7000 ¡ Wave ¡Guide ¡(470’) ¡

Fme ¡res. ¡= ¡0.2 ¡ns ¡ ~25 ¡pts ¡per ¡RF ¡cycle ¡ Fme ¡res. ¡= ¡5 ¡ns ¡ ~1 ¡pt ¡per ¡RF ¡cycle ¡

1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 5 ¡

RF ¡pickup ¡signal ¡ RF ¡forward ¡power ¡signal ¡ RF ¡reflected ¡power ¡signal ¡ RF ¡reflected ¡power ¡signal ¡ PMT ¡(τ ¡= ¡0.5 ¡ns) ¡ PlasFc ¡counter ¡ (τ ¡= ¡10 ¡ns) ¡ DirecFonal ¡ coupler ¡

* ¡Use ¡Copper ¡RF ¡window ¡for ¡this ¡test ¡ * ¡No ¡magneFc ¡field ¡in ¡this ¡run ¡

Past ¡analysis ¡of ¡RF ¡signal ¡

1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 6 ¡

• 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
• 0.6
• 0.4
• 0.2

0.2 0.4 0.6

Blue Reference, Red Data at t = 281. Sec

• 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
• 0.6
• 0.4
• 0.2

0.2 0.4 0.6

Blue Reference, Red Data at t = 281.5 Sec

• 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
• 0.6
• 0.4
• 0.2

0.2 0.4 0.6

Blue Reference, Red Data at t = 282. Sec

• 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
• 0.6
• 0.4
• 0.2

0.2 0.4 0.6

Blue Reference, Red Data at t = 282.5 Sec

• 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
• 0.6
• 0.4
• 0.2

0.2 0.4 0.6

Blue Reference, Red Data at t = 283. Sec

• 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
• 0.6
• 0.4
• 0.2

0.2 0.4 0.6

Blue Reference, Red Data at t = 283.5 Sec

• 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
• 0.6
• 0.4
• 0.2

0.2 0.4 0.6

Blue Reference, Red Data at t = 284. Sec

• 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
• 0.6
• 0.4
• 0.2

0.2 0.4 0.6

Blue Reference, Red Data at t = 284.5 Sec

• 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
• 0.6
• 0.4
• 0.2

0.2 0.4 0.6

Blue Reference, Red Data at t = 285. Sec

• 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
• 0.6
• 0.4
• 0.2

0.2 0.4 0.6

Blue Reference, Red Data at t = 285.5 Sec

• 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
• 0.6
• 0.4
• 0.2

0.2 0.4 0.6

Blue Reference, Red Data at t = 286. Sec

• 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
• 0.6
• 0.4
• 0.2

0.2 0.4 0.6

Blue Reference, Red Data at t = 286.5 Sec

• 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
• 0.6
• 0.4
• 0.2

0.2 0.4 0.6

Blue Reference, Red Data at t = 287. Sec

• 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
• 0.6
• 0.4
• 0.2

0.2 0.4 0.6

Blue Reference, Red Data at t = 287.5 Sec

• 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010
• 0.6
• 0.4
• 0.2

0.2 0.4 0.6

Blue Reference, Red Data at t = 288. Sec

• RF ¡pickup ¡signal ¡at ¡electric ¡breakdown ¡

RF ¡signal ¡shows ¡the ¡phase ¡shin ¡during ¡ the ¡electric ¡breakdown ¡(BD) ¡

283 284 285 286 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Phase relative to reference wave in BD region. The exponential fit has = 1 Sec

Fme ¡[µs] ¡

dϕrf ¡phase/dt ¡= ¡2π x ¡RF ¡frequency ¡shin ¡

282 283 284 285 286 287 1000 5000 1×104 5×104 1×105 5×105

Freq shift vs time

EsFmated ¡current ¡

1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 7 ¡

270 275 280 285 0.001 0.010 0.100 1 10 100

Resistive current, amps vs t

270 275 280 285 107 108 109 1010 1011 1012

electrons per 1/2 cycle during discharge

Current ¡ ¡ = ¡peak ¡RF ¡voltage/Shunt ¡impedance ¡

Fme ¡[µs] ¡ Fme ¡[µs] ¡

* ¡Number ¡of ¡electrons ¡in ¡the ¡cavity ¡is ¡~108 ¡electrons/half ¡RF ¡cycle ¡and ¡ ¡ ¡ ¡it ¡grows ¡1012 ¡electrons/half ¡RF ¡cycle! ¡ ¡ * ¡Since ¡the ¡kineFc ¡energy ¡of ¡electron ¡at ¡large ¡number ¡of ¡electrons ¡range ¡ ¡ ¡ ¡is ¡so ¡low ¡that ¡the ¡significant ¡amount ¡of ¡electrons ¡can ¡be ¡ranged ¡out. ¡ * ¡We ¡consider ¡the ¡number ¡of ¡electrons ¡which ¡is ¡penetrated ¡through ¡the ¡ ¡ ¡ ¡ ¡vacuum ¡vessel ¡is ¡109 ¡~ ¡1011 ¡electrons/half ¡RF ¡cycle. ¡

InteresFng ¡physics ¡ ¡ by ¡using ¡fast ¡electron ¡counter ¡

• RF ¡cycle ¡is ¡~ ¡5 ¡ns ¡while ¡the ¡Fme ¡resoluFon ¡of ¡

the ¡oscilloscope ¡is ¡0.2 ¡ns, ¡thus ¡we ¡can ¡see ¡25 ¡ pts ¡per ¡RF ¡cycle ¡

• If ¡we ¡have ¡a ¡fast ¡electron ¡detector ¡(t ¡< ¡1 ¡ns) ¡

we ¡can ¡see ¡the ¡Fme ¡domain ¡dark ¡current ¡vs ¡ RF ¡phase ¡as ¡a ¡funcFon ¡of ¡peak ¡RF ¡gradient ¡

• No ¡one ¡never ¡make ¡such ¡a ¡measurement ¡

1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 8 ¡

Present ¡201 ¡MHz ¡RF ¡for ¡next ¡run ¡

1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 9 ¡

Assemble ¡201 ¡MHz ¡RF ¡ ¡ in ¡a ¡vacuum ¡vessel ¡ Assemble ¡end ¡plate ¡ Connect ¡waveguides ¡ T-­‑connector ¡ NaI ¡crystal ¡ ¡ (in ¡upstream ¡magnet) ¡ ¡ PlasFc ¡counter ¡(downstream) ¡ ¡ Faraday ¡cup ¡(downstream ¡end ¡plate) ¡ ¡ Downstream ¡endplate ¡ ¡ (no ¡Faraday ¡cup) ¡

Be ¡window ¡

1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 10 ¡

Open ¡hole ¡on ¡downstream ¡end ¡plate ¡ Copper ¡RF ¡window ¡is ¡seen ¡ Replace ¡to ¡Be ¡window ¡ thickness ¡is ¡0.38 ¡mm ¡

Electron ¡range ¡in ¡Be ¡

1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 11 ¡

0.05 0.10 0.50 1 5 10 0.005 0.010 0.050 0.100 0.500 1 5

Range,cm as function of Energy MeV

Range ¡is ¡much ¡longer ¡than ¡the ¡ ¡ thickness ¡of ¡Be ¡window ¡at ¡k ¡> ¡1 ¡MeV. ¡ Even ¡there ¡are ¡more ¡materials ¡between ¡the ¡RF ¡test ¡cavity ¡and ¡the ¡ electron ¡counter ¡a ¡large ¡amount ¡of ¡electrons ¡can ¡penetrate ¡through ¡them. ¡

What ¡we ¡propose ¡for ¡very ¡near ¡future ¡ test ¡(Early ¡February ¡2015) ¡

1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 12 ¡

201 ¡MHz ¡ MICE ¡RF ¡ Faraday ¡cup ¡ Fast ¡plasFc ¡counter ¡ (τ ¡is ¡1~2 ¡ns) ¡

Vacuum ¡vessel ¡

Fast ¡plasFc ¡counter ¡

“Quick ¡and ¡Dirty” ¡ We ¡have ¡all ¡devices ¡and ¡materials ¡ Set ¡two ¡idenFcal ¡fast ¡plasFc ¡counter ¡

• n ¡both ¡ends ¡to ¡measure ¡the ¡relaFve ¡ ¡

Fming ¡of ¡dark ¡currents ¡ However, ¡it ¡is ¡ * ¡Limit ¡Fming ¡resoluFon ¡ * ¡Cannot ¡disFnguish ¡between ¡electron ¡ ¡ ¡ ¡and ¡X-­‑ray ¡

Improve ¡measurement ¡ ¡ (Spring ¡2015) ¡

1/3/15 ¡ Overview ¡MICE ¡RF ¡test ¡ 13 ¡

201 ¡MHz ¡ MICE ¡RF ¡ Faraday ¡cup ¡ MCP ¡base ¡electron ¡counter ¡ (τ ¡<< ¡1 ¡ns) ¡

Vacuum ¡vessel ¡

Fast ¡electron ¡counter ¡

Clearly ¡see ¡the ¡Fming ¡correlaFon ¡ between ¡dark ¡current ¡and ¡RF ¡phase ¡