La RF PHIL Pierre Lepercq pour lquipe Phil

La RF à PHIL Pierre Lepercq pour l’équipe Phil Journée PHIL le 30 janvier 2013

En souvenir de Jacques Rodier

Sommaire 1/Vue d’ensemble 2/Le klystron 3/Les coupleurs de mesure RF 4/L’électronique dédiée 5/L’isolateur 6/Les mesures RF préliminaires 7/Qualification de la source de puissance RF 8/Evolution 2009 -2012 9/Conclusion Journée PHIL le 30 janvier 2013

1/A quoi ça ressemble? Charge adaptée Guide d’onde WR 284 environ 10 mètres Guide d’onde WR 284 pressurisé SF 6 Isolateur Ploop D 1 Charge adaptée Pic Prk C 3 Cm RF 1 C 2 C 1 Alim DC 20 KV C 5 Fenetre rf 2 VPA Canon Klys tron Uk 220 k. V Ik 200 A 200 à 300 W Cuve à huile Signaux renvoyés en salle de contrôle: -Pik, Prk, Pic, Prc, Ploop, VPA -Uk, Ik Journée PHIL Cm RF 2 Pik Fenetre rf 1 Modulateur C 4 Prc Préampli 3 GHz 5 d. Bm Pilote 75 MHz vers laser Timing Bestiaire: -Cm. RF Coupleur de mesure RF en guide d’onde -Cx: boîte de conversion RF-tension -D 1: diode de détection -isolateur: système de protection du klystron par l’onde réfléchie du canon le 30 janvier 2013

1/Vue d’ensemble Journée PHIL le 30 janvier 2013

1/Pour quoi faire? UA Puissance Pic Prc et champ électrique Ez dans le canon. Ces signaux sont l’enveloppe des signaux 3 GHz UA HT et Sortie RF Klystron Uk~200 k. V Prc Ez Pik~10 MW Pic VPA~300 W t 3µs 5µs Tension Modulateur utile entre 160 et 200 k. V Largeur Haute Tension 5µsec Fréquence de répétition 5 Hz Puissance d’entrée klystron entre 200 et 350 W Largeur impulsion RF 3µsec Puissance RF pour 5, 5 Me. V 7 MW (canon Alpha. X) Journée PHIL le 30 janvier 2013

2/Le klystron Journée PHIL le 30 janvier 2013

2/Le Klystron Journée PHIL le 30 janvier 2013

3/Les coupleurs de mesure RF en guide d’onde exemple le coupleur du canon Des boucles affleurant l’intérieur du guide donnent accés aux puissances incidentes et réfléchies Avec un découplage spécifié (ici 64 d. B sur Pic et 54 db sur Prc) Journée PHIL le 30 janvier 2013

4/L’électronique dédiée Le pilote RF délivre le timing laser 75 MHz et le signal 3 GHz qui « drive » le préampli Préampli 350 W Nuclétudes Qui « drive le klystron » Les boîtes C qui convertissent les signaux RF en tension Journée PHIL le 30 janvier 2013

4/L’électronique dédiée Synoptique du pilote 3 GHz « Home made » Journée PHIL le 30 janvier 2013

5/L’isolateur Type « Four port phase shifter » réalisé par la société Ferrite (USA) Charge de retour Vers le klystron Journée PHIL Aimants permanents Charge de délestage Vers le canon le 30 janvier 2013

5/L’isolateur 2, 95 Frequence (GHz) 3 3, 05 3, 1 0 Reflexion vers le klystron -10 Transmission Isolation Reflexion vers le canon Sij (d. B) -20 -30 -40 -50 -60 Mesures RF à bas niveau analyseur de réseaux étalonné à 12 termes d’erreurs Pertes d’insertion 0, 3 d. B Isolation 30 d. B Journée PHIL le 30 janvier 2013

5/L’isolateur Maintenant on monte un court-circuit sur la voie de sortie du canon et on le Teste à l’analyseur de réseaux Déplacement du court circuit par rapport à une position arbitraire -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 0 I S O L A T I O N (d. B) -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 L’isolation est toujours <-30 d. B quelque soit la phase de l’onde de retour, le klystron est bien protégé Journée PHIL le 30 janvier 2013

5/L’isolateur Il faut le pousser dans ses retranchements : Ce qui signifie de le tester en court-circuit au maximum de puissance RF 3 2 4 5 6 CC 8 7 Montage et implantation de sondes de température Journée PHIL le 30 janvier 2013

6/Les mesures RF préliminaires Problème: comment mesurer 10 MW crête avec un système capable de mesurer 200 m. W crête ? Réponse: il faut atténuer ! Charge adaptée Cm RF 1 Pik atténuateur cable C 2 VVV 23 Pik Prk Pic Prc Couplage 60 54 64 54 Atténuateur 5, 4 0 10, 4 20, 6 câble 10 2, 9 3, 1 0 Total (d. B) 75, 4 56, 9 77, 5 74, 6 Klys tron Nécessité de connaître précisément ces valeurs (Très difficiles à mesurer) Journée PHIL le 30 janvier 2013

6/Les mesures RF préliminaires Synoptique d’une boîte C « made in Lal » Prf 3 GHz (m. W) Filtre 3 GHz Diode détectrice Amplification adaptation Tension impulsionnelle Il faut aussi étalonner les boîtes C à 3 GHz 600 R 2 = 0, 9992 500 400 Puissance 300 m. W 200 100 0 0 Journée PHIL 1 2 Tension de sortie sur 50 Ohms 3 4 le 30 janvier 2013

7/Qualification de la source de puissance RF Pour ces essais le klystron est monté sur une charge de puissance refroidie Estimation du gradient pour Alpha. X Mesures Pik Journée PHIL le 30 janvier 2013

7/Qualification de la source de puissance RF Finalement il faut comparer toute les mesures obtenues avec celles d’un appareil étalonné (wattmètre de crête Agilent) Pwik : mesure au wattmètre Pik : mesure avec le système actuel Journée PHIL Ps: ces résultats ont été obtenues sur le premier klystron testé qui a été depuis remplacé le 30 janvier 2013

7/Qualification de la source de puissance RF HT=10, 9 k. V Préampli à 300 W on mesure Pic=1, 89 V 3, 4 Puissance incidente canon (MW) 3, 35 3, 3 3, 25 3, 2 3, 15 3, 1 3, 05 3 0 0, 2 0, 4 0, 6 0, 8 Durée (heure) 1 1, 2 1, 4 La puissance Pic est constante à 3, 36 MW+/-0, 15% durant 1, 5 heure Journée PHIL le 30 janvier 2013

7/Qualification de la source de puissance Mesure RF sur le canon PHIN HT=180 k. V Préampli 300 W Vic=1, 95 V soit Pic=3, 48 MW On constate que le signal de la boucle du canon montre qu’une largeur RF de 3µs est un peu courte pour atteindre la valeur maximum du champ dans le canon Journée PHIL le 30 janvier 2013

7/Qualification de la source de puissance RF L’énergie du faisceau (mesurée par le dipôle) est le « juge de paix » pour connaître la puissance RF Avec : Rsh impédance shunt t temps d’injection du laser t temps de remplissage du canon r coefficient de réflexion du canon L longueur du canon T facteur de transit du canon Mesure sur le canon PHIN: Ainsi avec Vic =1, 95 V Pic= 3, 46 MW Ez =47, 3 MV/m et En vaudrait 3, 3 Me. V. La mesure de l’énergie max en déviant le faisceau a nécessité un courant Idip=-3, 3 A donc une energie faisceau de 2, 97 Me. V. La différence peut provenir de l’instant d’injection du laser. Journée PHIL le 30 janvier 2013

Evolution 2009 -2012 Etat du système RF en 2009 4 klystrons de récupération avec solénoïdes 2 coupleurs de mesure RF de récupération Guide d’onde de récupération (bride LIL) Isolateur de marque Ferritte Préampli de marque Nuclétudes Fenêtres Spinner Modulateur, Pilote, Boîtes C, Timing « home made » Etat du système RF en 2012 1 klystron testé (inutilisable), 1 klystron utilisable 2 coupleurs de mesure RF remplacés car mauvaise directivité (24 keuros) Préampli de marque Nuclétudes en panne, réparé + achat d’une rechange (15 keuros) Isolateur renvoyé deux fois pour réparation : fuite, claquage interne (20 k. Euros) Journée PHIL le 30 janvier 2013

8/Conclusion -Certains éléments « récupérés » se sont montrés peu fiables (ex: le premier klystron à la cathode épuisée, des coupleurs de mesure défectueux…). Tous ces tests nous ont fait perdre un temps précieux avant de parvenir à une situation acceptable. -Nous n’avons aucun historique des klystrons, aucune idée de leur temps de vie. De plus ce type de klystron n’est plus fabriqué… -La nécessité d’acheter des éléments de rechange s’est révélée indispensable et cela a un coût. -Phil fonctionne en mode dégradé depuis la panne du circulateur (dix mois de perdus et énergie limitée à 3 Me. V). Cependant: -La source de puissance de PHIL est capable de délivrer au moins 14 MW. -Circulateur Ferrite en attente de retour, l’énergie pourra à nouveau atteindre 6 Me. V. -La stabilité de la puissance est de l’ordre de la dispersion en énergie du faisceau d’électrons (+/-0, 2%). -Un gros travail a été effectué pour réduire les bruits parasites. -Des évolutions peuvent être envisagées: *augmentation de la durée RF à 3, 5µs *implantation d’un booster *choix d’un canon à 4, 5 cellules Journée PHIL le 30 janvier 2013

Conclusion personnelle Pour qui fait des mesures à PHIL: « la vie n’est pas cyrhose » (Daniel Pennac : La fée carabine) Mais la réussite est au bout de l’effort… Journée PHIL le 30 janvier 2013