Output coupling from x-ray free-electron laser cavities with intracavity beam splitters
透过镜通常用于将光子耦合出激光腔。提出了一种类似的方法，用于从X射线自由电子激光（XFEL）振荡器的腔中输出耦合光子。布拉格反射晶体镜之一是薄的，只有几个消光长度，并被用作渗透镜。然而，该方法通常仅限于提取腔内功率的十分之几。其他基于腔的XFEL，例如高增益再生放大器XFEL，需要更高的外耦合效率。在这里，替代方案提出和分析耦合X射线光子出XFEL腔使用腔内布拉格反射，X射线透明的金刚石晶体分束器。腔内分束器在它们能够耦合出腔的功率量方面是高效和灵活的，该功率量可以从零迅速变化到接近100%。该方案可以很容易地扩展到多波束外耦合。
2019-06-22 physics.acc-ph physics.ins-det physics.optics
Performance of a Downconverter Test-electronics with MTCA-based Digitizers for Beam Position Monitoring in 3.9 GHz Accelerating Cavities
在欧洲XFEL上，计划使用3.9GHz加速腔中的束流激发高阶模（HOM）来监测束流位置。所选的HOM位于5440 MHz附近，带宽为100 MHz和9060 MHz，带宽为50 MHz。一个下变频器电子，建立在闪存测试，转换的HOM到70 MHz的中频。MTCA（微型电信计算架构）标准将用于XFEL。因此，使用MTCA数字转换卡SIS 8300对下变频器测试电子设备进行性能研究非常重要。该数字转换器采用108 MS/s的时钟频率对70 MHz的中频进行欠采样。本文介绍了数字化仪的性能以及测试电子学。并与216 MS/sVME（Versa Module Eurocard）数字化仪进行了比较。
2012-10-15 physics.acc-ph
Piezo control for XFEL
工作在高Q值的超导腔需要精确地调谐到射频频率。良好调谐的腔确保良好的场稳定性，并且需要最小水平的RF功率来达到操作梯度水平。XFEL加速器的TESLA腔使用由控制系统驱动的慢（步进电机）和快（压电）调谐器进行调谐。该控制系统的目标是即使在存在干扰效应（LFD -洛伦兹力失谐和颤噪效应）的情况下也尽可能地保持腔的失谐接近零。步进电机调谐器用于粗调腔，而压电致动器用于微调和扰动补偿。压电控制系统的关键部分是压电驱动器。为了补偿LFD，需要具有相对高的电压（高达100 V）和高电流（高达1A）的压电驱动。由于压电元件容易受到过电压、过电流和过温的破坏，因此必须特别注意保持压电元件的健康。使事情变得更糟和更关键的是，在模块组装之后，压电交换是不可能的。因此，特殊硬件必须辅助功率放大器，检测危险条件并在需要时禁用压电操作。它必须是自动防故障的，所以即使在故障的情况下，压电元件也会存活下来。它还必须坚固耐用，并且不得干扰或禁用正常操作。由于有许多通道（主/从RF通道为16个），硬件解决方案必须具有良好的可扩展性。本文讨论了XFEL压电驱动器的设计，以及PEM（Power and Energy Monitor）对驱动器运行的监控和对压电元件的保护。所取得的成果和整个系统的操作进行了演示。
2018-03-24 physics.acc-ph
Beam dynamics and wake-field simulations for high gradient ILC linacs
用有限元和有限差分法模拟了ILC超导腔的高阶模。特别是，在KEK的一郎型腔和康奈尔大学的可重入设计的HOMs集中在这项工作中。这些大学和实验室的目标是在9室超导腔中实现超过50 MV/m的加速梯度，同时保持高质量和稳定的电子束。在这些梯度下，电击穿是引起关注的重要原因，并且由高能电子束激发的尾场也潜在地损害束的发射度。在这里，我们限制的分析进行详细的模拟，发射度稀释，由于光束最初注入与现实的偏移量从电中心的腔。我们利用最新的光束动力学代码，以执行这些模拟。
2008-10-15 physics.acc-ph
Narrow bandwidth active noise control for microphonics rejection in superconducting cavities at LCLS-II
LCLS-II是一种X射线自由电子激光（XFEL），于2022年投入使用，是世界上第一台连续波（CW）硬XFEL。为了将电子束加速到能量为$\SI{4}{\giga \eV}$，使用280个TESLA型超导RF（SRF）腔。使用$4 \times 10^7$的加载品质因数（$Q_L$）以几千瓦的功率水平驱动腔。对于该$Q_L$，RF腔带宽为32 Hz。因此，将腔谐振频率保持在这样的带宽内对于避免所需驱动功率的显著增加是必要的。在超导加速器中，谐振频率的变化是由腔体的机械颤噪振动产生的。颤噪噪声的一个来源是旋转机械，例如真空泵或HVAC设备。抑制这些干扰的一种可能方法是使用窄带有源噪声控制（NANC）技术。这些技术已经在DESY/CMTB和Cornell/CBETA进行了测试。本文介绍了一种适用于LCLS-II低电平射频（LLRF）控制系统的NANC控制器的实现。测试表明，拒绝LCLS-II颤噪干扰也提出。
2022-10-11 physics.acc-ph
Crab cavities for linear colliders
蟹状腔已被广泛用于加速器，最近在KEK-B的一对蟹状腔成功运行后，对蟹状腔的兴趣有所增加。ILC和CLIC直线对撞机都需要蟹状腔来进行束团对准。束结构和尺寸限制的考虑有利于3.9 GHz的超导，多细胞腔作为ILC的解决方案，而束结构和梁加载的考虑建议CLIC的X波段铜行波结构。这两种腔体解决方案在设计上非常不同，但共享复杂的设计问题。相位稳定，梁加载，尾场和模式阻尼是这些螃蟹腔的基本问题。要求和潜在的设计解决方案将讨论这两个对撞机。
2008-10-16 physics.acc-ph
Dark Current and Radiation Shielding Studies For The ILC Main Linac
由于场发射，在高梯度超导RF腔（SRF）中产生的暗电流（DC）电子可以被加速到非常高的能量-在国际直线对撞机（ILC）主直线加速器的情况下为19 GeV-在它们被聚焦和转向磁体移除之前。由这种电子产生的电磁和强子簇射可以对直线加速器设备和人员构成重大的辐射威胁。在我们的研究中，一个操作方案进行了分析，这被认为是可以被认为是最坏的情况下的主要直线加速器的直流贡献的辐射环境中的主要直线加速器隧道。对从SRF腔表面发射的直流电子在多个SRF腔中的高梯度场中重复加速的过程进行了详细的模拟。MARS 15 Monte Carlo计算的结果，为当前的主直线加速器隧道设计进行，揭示了即时剂量设计水平的25 μSv/hr的服务隧道可以提供的主隧道和服务隧道之间的2.3米厚的混凝土墙。
2017-05-05 physics.acc-ph
ILC Upgrades to 3 TeV
我们认为几个ILC能源升级路径超过1 TeV取决于高能物理的需求。四个场景的参数将被presented和讨论的挑战。1.从1 TeV到2 TeV，基于：A。从正在进行的铌结构的SRF研发中可以预期铌腔的梯度发展到55 MV/m。B.全新的行波（TW）超导结构，有效梯度优化为70+ MV/m，R/Q增加100%（在本次会议的论文WEOCAV 04中进行了更详细的讨论。R/Q的大增益对制冷机热负荷、RF功率和AC操作功率具有主要的有益影响。或2.从1 TeV到3 TeV，基于：A。全新的行波（TW）超导结构，优化有效梯度为70+ MV/m，R/Q增加100%。R/Q的大增益对热负载、RF功率和AC工作功率具有重大的有益影响。B. 80 MV/m的梯度电位的Nb 3Sn与Q为1x 1010，基于外推从高功率脉冲测量单电池Nb 3Sn腔。此外，由于Nb 3Sn的高Tc，操作温度为4.2K而不是2K。
2021-08-26 physics.acc-ph
SRF cavity geometry optimization for the ILC with minimized surface e.m. fields and superior bandwidth
ILC的主直线加速器由基于TESLA设计的九个单元腔组成。为了便于达到更高的梯度，我们重新设计了腔体形状。这导致表面电场与加速场之比（Es/Ea）和磁场与加速场之比（Bs/Ea）都减小，与几种当前设计相比。加速模式的带宽也被优化。这种新的形状，我们称之为新的低表面场（NLSF）设计，承担与一郎，再入和LSF设计的比较。
2009-06-19 physics.acc-ph
RF regulation with superconducting cavities and beam operation using a frequency shifted cavity
DESY的自由电子激光FLASH和欧洲的XFEL是用超导射频腔工作的，并为几个用户实验提供束流。实验之间的切换时间限制在几十微秒。这篇文章将展示一个频率偏移的超导腔的调节，以操纵和改变电子束团的加速性能与250 KHz.The主要挑战的概念中提出的贡献可以概括在这个声明：找到一种方法来调制单个聚束的能量在一个单一的源多腔计划的潜在CW升级的EuXFEL。
2022-01-17 physics.acc-ph
Shielding Studies for Superconducting RF Cavities at Fermilab
本文介绍了一种半经验方法，它使我们能够预测超导射频腔中产生的场发射强度。用FISHPACT程序计算了产生的辐射的空间、角和能量分布。蒙特卡罗程序MARS 15用于模拟物质中的辐射输运。在费米实验室垂直测试设备的ILC型腔加速梯度高达35 MV/m的剂量率测量的比较，以及。
2012-02-07 physics.acc-ph
Advances in Nb3Sn superconducting radiofrequency cavities towards first practical accelerator applications
Nb 3Sn是一种很有前途的下一代超导射频腔体材料，在大规模和紧凑型加速器应用中具有巨大的潜力。然而，到目前为止，Nb 3Sn腔仅限于cw加速场<18 MV/m。在本文中，新的结果提出了显着更高的领域，高达24 MV/m的单细胞腔。结果还提出了从有史以来第一个Nb 3Sn涂层的1.3 GHz 9细胞腔，一个全面的示范腔类型用于生产欧洲XFEL和LCLS-II。结果与散热曲线一起提出，以强调使用基于制冷机的冷却系统的工业加速器应用的潜力。研究的腔有一个非典型的闪亮的视觉外观，和显微镜研究的见证样品显示显着降低表面粗糙度和较小的膜厚度相比，典型的Nb 3Sn膜超导腔。增加最大场的可能机制进行了讨论，以及在低相干长度制度的RF超导物理的影响。展望了可持续发展。
2020-08-12 physics.acc-ph
Automated Optical Inspection and Image Analysis of Superconducting Radio-Frequency Cavities
超导腔的内表面对实现最高加速场和低损耗起着至关重要的作用。为了对欧洲XFEL和ILC HiGrade研究项目的腔体制造中的100多个腔体的内表面进行调查，构建了光学检测机器人OBACHT。为了分析每个腔多达2325个图像，开发了一个图像处理和分析代码，并获得了描述腔表面的新变量。在分辨率为15.63 $μ\mathrm{m}$的情况下，该编码的精度可达97%，PPV可达99%。光学获得的表面粗糙度与标准轮廓测量方法一致。图像分析算法识别并量化了供应商特定的制造特性，如电子束焊接速度和由于不同化学处理而导致的不同表面粗糙度。此外，相关性的$ρ= -0.93$与$6\,σ$之间获得的表面变量和最大加速场的意义被发现。
2017-04-20 physics.acc-ph
Beam Phase Retrieval based on Higher Order Modes in Cylindrical SRF Cavities
在许多加速器应用中，相对于超导腔内加速RF场的束相位的控制是重要的，并且对于自由电子激光设施尤其重要。作为标准实践，相位通常从相对于定时参考的射束感应瞬态场推断。我们在这里报告的替代和新颖的手段，光束相位确定的基础上，光束激励的高阶电磁模式和加速电磁模式，这是方便地从同一耦合器。该模式是免疫的电子束偏移，因此是最适合的任务。一个耦合电路模型被用来协助开发和快速评估的设施的方法。基于电路模型的仿真表明，该系统的分辨率关键取决于信噪比。在德国的欧洲XFEL进行了基于束流的测量和测试装置。基于这种新方法，我们通常获得0.1°的分辨率。使用当前设置观察到的最佳分辨率为0.03°。这些结果与电路模型的预测结果吻合得很好。这里调查的系统可以用来提供诊断信息，目前在欧洲XFEL LLRF系统。为此，相关的电子设备正在开发中。该监测仪是同类产品中的第一个，可以提供相对于RF场的射束相位的直接和在线测量。
2018-05-14 physics.acc-ph
First Attempts in Automated Defect Recognition in Superconducting Radio-Frequency Cavities
超导腔的内表面对获得最高的加速场起着至关重要的作用。欧洲X射线自由电子激光（EXFEL）和国际线性对撞机（ILC）HiGrade研究项目的腔体工业制造允许通过标准化程序对不同腔体上的大样本进行这种相互作用的调查。为了进行内表面的系列检测，构建了光学检测机器人OBACHT，并开发了图像处理和分析代码，以分析内表面图像中表示的大量数据。得到了描述腔面的新变量。使用这些变量和图像自动检测缺陷的两种方法已经实施和测试。此外，一个基于决策树的方法分类缺陷自由表面关于其加速性能进行了测试，发现是物理上有效的。
2019-06-18 physics.acc-ph
High gradients at SRF photoinjector cavities with low RRR copper cathode plug screwed to the cavity back wall
本研究首次实验证实后壁拧接铜阴极塞的L波段SRF光电注入器腔可实现约55 MV/m及以上轴上峰值场梯度，为连续波高梯度光电注入器研发奠定重要基础。
2023-10-04 physics.acc-ph
Status of Higher Order Mode Beam Position Monitors in 3.9 GHz Superconducting Accelerating Cavities at FLASH
高次模（HOM）束流位置监测器（BPM）正在开发的3.9 GHz的三次谐波超导加速腔在FLASH。可以利用基于偶极分量的束激励HOM来确定腔中的横向束位置。用于HOM抑制的现有耦合器提供必要的信号。诊断原理类似于腔BPM，但在直线加速器上不需要额外的真空仪器。3.9 GHz腔体的HOM-BPM的挑战在于由低温模块ACC 39中的四个腔体中的大多数HOM的耦合引起的密集HOM频谱。使用频谱分析仪和具有各种数据分析技术的定制测试电子设备对具有特别有前途的诊断功能的HOM进行了评估，重点是数据简化。选择5GHz范围内的多腔模式，以提供整个模块上的全局位置，具有优异的分辨率（~20 μ m）而在9 GHz区域中的捕获模式提供了具有可比分辨率（~50 μ m）的每个腔中的局部位置。一个类似的HOM-BPM系统已计划用于欧洲XFEL 3.9 GHz模块，其中包括八个腔。本文综述了FLASH中3.9GHz腔HOM-BPM的研究现状和发展前景。
2013-05-22 physics.acc-ph
Field Emission in CEBAF's Superconducting RF Cavities and Implications for Future Accelerators
场致发射是粒子加速器超导射频的关键问题之一。当存在时，它直接或通过在2K下的诱导热负荷来限制操作梯度。为了最大限度地减少粒子污染，从而在CEBAF SRF腔在组装过程中的场发射，冷陶瓷RF窗口被放置在非常接近加速腔。作为一个意想不到的结果，窗口是由场发射电子充电，使得有可能监测和模拟场发射CEBAF腔，因为在隧道操作开始。从1995年1月30日到2003年2月10日，有64例腔场发射的自发发作或变化，每次事件的可用梯度平均下降1.4（sigma 0.8）MV/m。事件前梯度的分数损失平均为0.18（sigma 0.12）。该事件计数对应于每个腔每世纪2.4个事件，或CEBAF每年8个事件。据推测，场致发射的变化是由于吸附的气体积累。这一点和其他观测结果对国际直线对撞机（ILC）和其他未来加速器的可能影响将被讨论。
2007-10-02 physics.acc-ph
Next Generation High Brightness Electron Beams From Ultra-High Field Cryogenic Radiofrequency Photocathode Sources
最近的射频（RF）铜腔在低温下工作的性能的研究表明，在最大可实现的表面电场显着增加。我们建议利用这一发展，使新一代的光电注入器在低温下工作，可以达到，通过增强发射场在光阴极，五维电子束亮度显着增加。我们提出了详细的研究与这样一个系统相关联的束流动力学，通过检查在250 MV/m的峰值电场，达到归一化发射率在40 nm-rad范围内的收费（100-200 pC）适用于在硬X射线自由电子激光（XFEL）的情况下使用的LCLS的基础上操作的S-波段的光电注入器。在这种情况下，我们表明，由开始到结束的模拟，该源的属性可能会引起高效率的操作的XFEL，并允许扩展的光子能量达到一个数量级，超过80千电子伏。这种XFEL所需的亮度是通过压缩后的低源发射度和高电流来实现的。在XFEL的例子分析，在最终的压缩过程中的发射度保留使用微聚束技术。极低的发射度的情况下获得的pC充电，适当的超快电子衍射和显微镜实验的时间分辨率限制显着扩展，也进行了审查。虽然在低温光注入器的亮度的增加主要是由于通过场增强的发射电流密度的增强，进一步可能增加的性能所产生的降低本征阴极发射度在低温操作进行了分析。实验实施中的问题，包括腔优化，以降低低温散热，外部耦合，和制冷机系统进行了讨论。
2018-12-30 physics.acc-ph
An Impartial Perspective for Superconducting Nb3Sn coated Copper RF Cavities for Future Accelerators
这篇Snowmass21贡献论文鼓励粒子物理界促进超导Nb3Sn涂层铜RF腔体的研发，而不是昂贵的散装铌。它描述了迫切需要在这个方向上投入努力，这将提供更高的梯度和更高的操作温度，并减少任何未来对撞机的总资本和运营成本。在未来十年内建造一个国际土地控制中心的可能性不大，因为铌是固体废物的主要成本驱动因素之一。本文提供了强有力的论据，利用这段时间进行研发，在廉价和热效率高的金属（如铜或青铜）上生产Nb3Sn，同时并行地追求美国的并行馈电RF加速器结构的新概念。一种协同使用这两种先进工具的技术将使ILC或同等机器更经济实惠，更有可能被建造。这样一个成功的企业将很容易适用于其他HEP加速器，例如μ子对撞机，以及HEP以外的加速器。我们目前的努力，并评估在美国的并行馈电RF加速器结构的新概念，并在美国和国外在生产Nb3Sn薄膜的铜或青铜，尽管最小的资金。
2022-03-26 hep-ex physics.acc-ph
Three-cell traveling wave superconducting test structure
使用每个单元具有小相位超前的超导行波加速（STWA）结构而不是驻波结构可以提供ILC直线加速器中加速梯度的显著增加。对于相同的表面电场和磁场，STWA实现了比TESLA类驻波腔大1.2的加速梯度。STWA还允许更长的加速腔，减少它们之间的间隙数量。然而，STWA结构需要SC反馈波导来将几百MW的循环RF功率从结构输出返回到结构输入。设计、制造并成功测试了具有反馈的测试单细胞腔，证明了适当处理以实现高加速梯度的可能性。这些结果为下一步的行波SC腔的发展开辟了道路：构建和测试具有反馈波导的行波三腔室腔。讨论了单腔实验的最新结果以及三腔TW实验腔的设计。
2012-03-07 physics.acc-ph
Design of a Polarised Positron Source Based on Laser Compton Scattering
我们描述了一个计划，用于产生极化的正电子在ILC从产生的几个GeV的电子束关闭的CO2或YAG激光器的康普顿散射的极化X射线。该方案是非常有效的能量使用高精细激光腔结合电子存储环。
2005-09-15 physics.acc-ph
