TESLA Test Facility Linac. Editor: D. A. Edwards. Version 1.0

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1 TESLA Test Facility Linac Design Report Editor: D. A. Edwards Version March 1995

2 Abstract The TESLA Test Facility will include capability for processing and measurement of 1.3 GHz superconducting accelerating structures, a 500{800 MeV linac based on these accelerating structures, and the cryogenic, power, diagnostic and other support systems appropriate to this eort. The main body of the linac will consist of four cryomodules each containing eight 1 meter nine-cell superconducting cavities operating at 1.3 GHz. The base accelerating gradient goal is 15 MV/m, leading to an electron energy of 500 MeV. If the TESLA 500 (500 GeV in the center of mass) gure of 25 MV/m is achievable in the Tesla Test Facility Linac, the output electron energy would be 800 MeV. Two injectors will be used; the rst will produce the average current at low bunch charge appropriate to the TESLA 500 design, while the second, at the same average current, will provide the bunch intensity corresponding to the TESLA 500 specications. Beam analysis areas will be provided for both the study of the injected beam and the high energy output beam. The Facility will be located at DESY, and will incorporate components and technical support provided by the collaborating institutions.

3 Contents 1 Introduction TESLA 500 and the TTFL : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Overview of the TTFL Program : : : : : : : : : : : : : : : : : 9 2 Accelerator Physics Design Linac Overview : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Injector : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Linac : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Analysis Area : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 50 3 Injector Injector I : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Gun and Electrostatic Column : : : : : : : : : : : : : : The Electron Gun : : : : : : : : : : : : : : : The 300 kv Electrostatic Column : : : : : : : The Electron Gun Environment : : : : : : : : The High Voltage System : : : : : : : : : : : Gun Operation : : : : : : : : : : : : : : : : : The Sub-Harmonic Buncher : : : : : : : : : : : : : : : RF Characteristics : : : : : : : : : : : : : : : Mechanical Characteristics : : : : : : : : : : : The Amplier : : : : : : : : : : : : : : : : : : Synchronization and Low-level RF distribution. : : : : Diagnostics and Analysis : : : : : : : : : : : : : : : : : Beam Parameters after Capture Cavity : : : : Rationale for the Measurements : : : : : : : : Summary of optical and diagnostic elements : 80 i

4 ii CONTENTS Optical elements : : : : : : : : : : : : : : : : Transverse Prole Measurements: : : : : : : : Intensity monitors : : : : : : : : : : : : : : : Beam Position Monitors (BPM): : : : : : : : Collimators and Beam Loss Detectors : : : : Injector II : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Beam Dynamics Considerations : : : : : : : : : : : : : RF Design of the Photoinjector : : : : : : : : : : : : : Diagnostics and Instrumentation : : : : : : : : : : : : Photocathode Excitation Laser Requirements : : : : : Electrical Dimension Specications and Tolerances : : Cavities and Auxiliary Systems Cavity Design and Characteristics : : : : : : : : : : : : : : : : Choice of Frequency : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Choice of Geometry : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : HOM and HOM Couplers : : : : : : : : : : : : : : : : Trapped HOM : : : : : : : : : : : : : : : : : HOM Couplers : : : : : : : : : : : : : : : : : Filling Time : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Auxiliary Systems : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Summary of Lorentz Force Detuning and Cavity Stiening : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Helium Vessel : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Cryogenic features : : : : : : : : : : : : : : : Shift of Resonant Frequency : : : : : : : : : : The choice of titanium : : : : : : : : : : : : : Selected features of the helium vessel : : : : : Outlook : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Cold Tuning System : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Magnetic Shielding : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Why should we shield TESLA cavities and what is the required shielding level? : : : : : The ambient magnetic eld : : : : : : : : : : How to shield TESLA cavities? : : : : : : : : Active devices : : : : : : : : : : : : : : : : : : 167

5 CONTENTS iii The recommended solution for TESLA: a mixed scheme : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : The Cryoperm Tube : : : : : : : : : : : : : : Design of the coils : : : : : : : : : : : : : : : Magnetic properties of the vacuum vessel : : RF Input Coupler : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Design Requirements : : : : : : : : : : : : : : The Fermilab Input Coupler : : : : : : : : : : Component Development : : : : : : : : : : : The DESY Coupler : : : : : : : : : : : : : : : Fabrication : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Technological Problems : : : : : : : : : : : : Window Details : : : : : : : : : : : : : : : : : Power Tests of the 70 K Window : : : : : : : Cryostat and Cryosystems The TTF Cryogenic System : : : : : : : : : : : : : : : : : : : First Stage of Assembly of the System : : : : : : : : : The Second Stage of the Assembly : : : : : : : : : : : The Schedule for the TTF Cryogenic System : : : : : : The Module Cryostat : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : General Remarks : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Alignment : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : The Cryostat : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Miscellaneous Specications : : : : : : : : : : Special Assembly Tooling : : : : : : : : : : : : : : : : Suspension System Assembly Tooling : : : : : Accelerator module lifting rig : : : : : : : : : Final Alignment and Assembly Bench : : : : Cold Mass Insertion into the Vacuum Vessel Tooling : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Other Major Cryogenic Components : : : : : : : : : : : : : : Vertical Test Cryostat : : : : : : : : : : : : : : : : : : Horizontal Test Cryostat : : : : : : : : : : : : : : : : : Cavity performance measurements: : : : : : : Main features of the cryostat: : : : : : : : : : Magnet shielding: : : : : : : : : : : : : : : : : 209

6 iv CONTENTS Capture Cavity : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Refrigeration : : : : : : : : : : : : : : : : : : Cryostat Description : : : : : : : : : : : : : : Helium Collection Box and Heater : : : : : : : : : : : Vacuum Compressor Pumping System : : : : : : : : : Large, Low Pressure Heat Exchanger : : : : : : : : : : Cryogenics of the Module Helium Vessel : : : : : : : : : : : : Cool-down from 300 K to 5 K. : : : : : : : : : : : : : : Filling with liquid. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Steady-state operation : : : : : : : : : : : : : : : : : : Liquid removal. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Warm-up from 5 K to 300 K. : : : : : : : : : : : : : : Safety and Venting for the Helium and Vacuum Vessels : : : : Emergency Venting of the Helium Vessel : : : : : : : : Helium Spill in a TTF Module or Module String : : : : Measurements and Instrumentation : : : : : : : : : : : : : : : Summary Table of Cryogenic Measurements : : : : : : Comments on measurements at 2 K : : : : : : : : : : : Measurement of heat loads to 4.5 K and 70 K. : : : : : HOM cooling and heat measurement. : : : : : : : : : : Cryogenic Tables : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Heat Load Budget and Losses : : : : : : : : : : : : : : Fermilab Input Coupler Heat Calculations : : Cryostat Diagnostics : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Pipe Sizes for Supply and Return Lines : : : : : : : : : Quadrupole Package Quadrupole Module : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Alignment and Survey : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Vibration : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Power Supplies and Regulation : : : : : : : : : : : : : : : : : Types of Power Supplies needed for TTFL : : : : : : : Description of the Power Supplies : : : : : : : : : : : : Parameters of the Quadrupole Module : : : : : : : : : : : : : 269

7 CONTENTS v 7 Vacuum and Vacuum Isolation Requirements on Vacuum Parts : : : : : : : : : : : : : : : : : General Layout of the Beam Vacuum System : : : : : : : : : : Vacuum System for the Input Coupler : : : : : : : : : : : : : Oil-Free Turbomolecular Pump Stations : : : : : : : : : : : : The Insulating Vacuum : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : The RF System Klystron-Modulator Schemes : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Modulator/Klystron choices : : : : : : : : : : : : : : : Modulator choices : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : RF System Eciency : : : : : : : : : : : : : : : : : : : The RF Distribution System : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Interlocks : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Phase and Amplitude Control : : : : : : : : : : : : : : : : : : Beam Loading : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Lorentz Force Detuning of the Cavities : : : : : : : : : Measurements on a 1.5 GHz cavity : : : : : : : : : : : Eects of parameter spreads : : : : : : : : : : : : : : : Feedback loops : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Q-spread eects : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Microphonic eects : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Hardware: the RF control circuits : : : : : : : : : : : : Potential Further Developments : : : : : : : : : : : : : : : : : Possible new RF sources for TESLA : : : : : : : : : : Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) based Modulator : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : The Long Pulse Modulator Design : : : : : : : : : : : : : : : Design Approach : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Principles of Operation : : : : : : : : : : : : : : : : : : Key Modulator Components : : : : : : : : : : : : : : : The GTO Switch : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Bouncer Circuit : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Main Capacitor Bank and Crowbar : : : : : : : : : : : Pulse Transformer : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Klystron Protection : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Modulator Controls : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 336

8 vi CONTENTS Operational Results : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Power Eciency : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : TESLA Modulator Controls Hardware : : : : : : : : : Overview of the Internet Rack Monitor : : : : The MVME-162 Single Board Computer : : : Analog I/O : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Digital I/O : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Network Interface : : : : : : : : : : : : : : : : I/O Daughterboard : : : : : : : : : : : : : : : Packaging : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : VMEbus and VXI Support : : : : : : : : : : Software : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : IRM Software Overview : : : : : : : : : : : : : : : : : Local database : : : : : : : : : : : : : : : : : Cyclic data pool activities : : : : : : : : : : : Synchronization : : : : : : : : : : : : : : : : : Data request protocols : : : : : : : : : : : : : Alarm handling : : : : : : : : : : : : : : : : : Diagnostics : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Software development : : : : : : : : : : : : : Data Acquisition and Display : : : : : : : : : Development Environment : : : : : : : : : : : : : : : : High Energy Analysis Area Beam Experiments and Experimental Details : : : : : : : : : : RF to Beam Power Transfer : : : : : : : : : : : : : : : Beam Power Deposition at 2K : : : : : : : : : : : : : : Cavity Oset Measurement from HOM Power : : : : : Bunch Wake Potentials Measurement : : : : : : : : : : Transverse Multi-bunch Beam Breakup : : : : : : : : : RF Steering : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Dark Current : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Warm Beam Line (prior to Cryo Modules 2,3,4) : : : : : : : : Components of the Temporary Beam Line : : : : : : : Dog Leg for Osets : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : EAA Component Layout and Rationale : : : : : : : : : : : : : Warm Beam Transport Sections : : : : : : : : : : : : : : : : : 376

9 CONTENTS vii Components: Slot Lengths / Aperture / Flanges : : : : Quadrupoles, Steering Magnets, Spectrometer Dipole Magnet in the EAA : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Quadrupole Magnets and Steering Along the Temporary Beamline : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Diagnostics and Instrumentation Details : : : : : : : : : : : : Intensity Monitors : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Beam Position Monitors : : : : : : : : : : : : : : : : : T M 110 -Cavity : : : : : : : : : : : : : : : : : : Stripline Monitors : : : : : : : : : : : : : : : RF - Beam Phase Detection : : : : : : : : : : : : : : : Beam Prole Monitors : : : : : : : : : : : : : : : : : : SEM Grid and Wire Scanners : : : : : : : : : Scintillation Detectors : : : : : : : : : : : : : View Screens and OTR Screens : : : : : : : : : : : : : Optical Diagnostic Stations: General Description : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Beam Parameter Measurements : : : : : : : : Synchrotron Light Monitor with the Bending Magnet : Bunch Length Measurements : : : : : : : : : : : : : : Streak Cameras : : : : : : : : : : : : : : : : : Bunch Length and Longitudinal Shape Measurement : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Transverse Deecting Cavity : : : : : : : : : Beam Loss Detection : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Radiation Shielding and Beam Dumps : : : : : : : : : : : : : Shielding along the TTF Linac : : : : : : : : : : : : : Beam Dumps : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Estimate of Dump Heating and Stresses : : : Simulations and Results : : : : : : : : : : : : Neutron Dose Shielding : : : : : : : : : : : : Conclusions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Controls and Applications Control system overview : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Client - Server Conguration : : : : : : : : : : : : : : Server : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 445

10 viii CONTENTS Client : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Communication Protocols : : : : : : : : : : : : : : : : Gateways and Application Program Interface : : : : : Features of the Dierent Protocols (systems) : : : : : The Client Side - Operator Interface : : : : : : : : : : Concluding Comments : : : : : : : : : : : : : : : : : : Controls Hardware and Software : : : : : : : : : : : : : : : : Front-ends : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Field Bus : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Client/Server Network : : : : : : : : : : : : : : : : : : LabVIEW Usage in Present and Future TTF Control Controls - Nomenclature : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Controls Related Systems : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Timing and Clock : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Quick Digitizer : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Beam Inhibit System : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Applications : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Applications Overview : : : : : : : : : : : : : : : : : : Injector I : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Overview of Hardware : : : : : : : : : : : : : VME Systems : : : : : : : : : : : : : : : : : : Workstations : : : : : : : : : : : : : : : : : : Software Architecture : : : : : : : : : : : : : Applications Programs for the Injector : : : : Cold Tuning System Control : : : : : : : : : The TTF Linac starting with Cryomodule 1 : : : : : : Power Supply Systems : : : : : : : : : : : : : Beam Monitor Devices : : : : : : : : : : : : Cryosystem Controls and Temperature Monitor System : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Other diagnostics in the cold cryomodule : : : RF System Monitor and Control : : : : : : : Vacuum Controls : : : : : : : : : : : : : : : : Utilities { Water, Power, Air : : : : : : : : : Personnel Safety Interlock : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 515

11 CONTENTS ix 11Potential Applications A Self-Amplied-Spontaneous-Emission Free-Electron Laser at 200 ev : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : The TESLA Option : : : : : : : : : : : : : : : : : : : A Source of Slow-Positrons for Applied Physics : : : : : : : : Experiments with slow positrons : : : : : : : : : : : : : Layout of a slow positron source : : : : : : : : : : : : : A slow-positron source at the TTF : : : : : : : : : : : 533 A Parameter Lists 537 B Device Coordinates 543

12 List of Tables 1.1 TESLA 500 { TTFL parameter comparison. : : : : : : : : : : Injector I : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Injector II: RF photoemission gun, accelerating section, and compressor nominal conditions. : : : : : : : : : : : : : : : : : RF cavity parameters for the TTFL : : : : : : : : : : : : : : : Summary of the cryogenic system heat budget for TTFL (4 modules and injector). Budget is 1.5 times estimated loss. : : Summary schedule for TTFL as of January : : : : : : : Specication for Injector I : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Input beam parameters for PARMELA calculations. : : : : : : PARMELA calculated beam parameters for the reference case at the exit of the capture cavity. : : : : : : : : : : : : : : : : : Results for the FIDO lattice without acceleration. : : : : : : : The matching achieved between the TTF injector and the linac's FIDO lattice at an injection energy of 10 MeV. : : : : : The matching achieved between the TTF injector and the linac's FIDA lattice at an accelerating gradient of 15 MeV/m : Optics parameters for the emittance and energy spread measurement. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Parameter summary for sub-harmonic cavity. : : : : : : : : : : Summary of the amplier parameters for the sub-harmonic buncher. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Beam parameters downstream of capture cavity at 5141 mm from end of gun column. (Last iris of capture cavity at 4985 mm from column) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Summary of Injector I diagnostic devices. : : : : : : : : : : : : 81 x

13 LIST OF TABLES xi 3.5 Disposition and strengths of elements in the Injector I analysis area. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Predicted performance of photoinjector for Injector II : : : : : Electrical Properties of the Photoinjector Gun : : : : : : : : : Laser requirements for the TTF/TESLA500 Photoinjectors : : Summary of factors relating to laser power. : : : : : : : : : : : Key Electrical Dimension Specications for Photoinjector : : : TESLA cavity data. Quantities marked with an asterisk dier slightly from those shown in the Introduction due to alternative calculational techniques. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Choice of frequency : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Cavity design choices. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Cavity shape parameters, all dimensions in [mm]. : : : : : : : Damping measurements with the demountable coupler. : : : : Damping of dipole modes : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Damping of monopole modes. : : : : : : : : : : : : : : : : : : Selected Properties of TTF-Cavity. Calculated values are for a cell wall 2.5 mm thick; measured values are for a test cavity with thickness of cell wall as in Fig : : : : : : : : : : : : Contributions to resonant frequency shift [Hz] at 25 MV/m (see text) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Miscellaneous data of helium vessel. : : : : : : : : : : : : : : : Permeability 1 measured on test cylinders (from M. Bork, VAC, private communication) : : : : : : : : : : : : : : : : : : Field level measured on the scale 1/4 model of a TESLA TTF cryomodule. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Summary Table, based on 25 February 1993 TTF Design Workshop at DESY, revised in April and December, 1993, by T. Peterson : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Summary Table of TTF Heat Loads for One Module : : : : : Instrumentation Summary for TTF Heat Load Measurements Heat Load Budget for Test Module : : : : : : : : : : : : : : : Input data for preceding table. : : : : : : : : : : : : : : : : : : Summary Cryogenic Losses : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Summary Cryogenic Losses : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 239

14 xii LIST OF TABLES 5.8 Summary Table of TTF Heat Loads for One MV/m TTF linac heat loss budget, assuming 25 MV/m eld gradient, 100 m transfer line from coldbox to TTF-feedbox, and stage II cryogenic heat exchanger. The * marked values of the 16 mbar return tube reduce the performance of the big heat exchanger and increase the 14 bar precooling heat load ** indirectly. For comparison, the \900 W" refrigerator has a capacity of 600 W (4.5 K) at a liquefaction rate of 2.5 g/s and a 70 K load of 2000 W. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Coupler Heat Summary Table for 2.0 K, 4.5 K and 70 K Temperature Levels : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Diagnostics in Cryostat. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Diagnostics in Cryostat. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Diagnostic Summary : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : TTF Module Test Cryogenic Pipe Parameter List : : : : : : : Cryogenic Valve List. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Power supplies for the TTFL. One cryo module, temporary warm beam line, and high energy EAA. : : : : : : : : : : : : Power supplies for the TTFL. Final conguration with 4 cryo modules, one section warm beam line, and high energy EAA Parameters of the quadrupole lens : : : : : : : : : : : : : : : : Parameters of the dipole correction coil : : : : : : : : : : : : : Parameters of miscellaneous components : : : : : : : : : : : : Measured Parameters of the TH 2104 C Thomson Klystrons : Specication of WR 650 Directional Coupler Power Splitters : Specication of WR 650 Wave Guide Load : : : : : : : : : : : Specication of Circulator : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Compensation of Lorentz force detuning in TESLA 500 and in TTF : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 311

15 LIST OF TABLES xiii 9.1 Amount of HOM power deposited at various places. Most of the HOM coupler power is extracted to room temperature. For comparison the 2K static the load is estimated at 2.8 W/8 cavity-module, and the load from the fundamental RF mode at 25MV/m is 1.8W/cavity. This table diers from those in Chapter 5 which assumes 10% HOM power to 2K (not 7%). Under that assumption, HOM power is about 17% of the total estimated load at 25MV/m. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Integrated gradients of the quadrupoles of the Experimental Beam Analysis Area for dierent beam parameters at the end of the linac (standard TTF - beam: xnorm = 3.9 mm mrad, x max = 0.18 mm, x' max = mrad, ynorm = 3.8 mm mrad, y max = 0.15 mm, y' max = mrad, E = 800 MeV). The gradient of a doublet is positive if the gradient of the rst magnet of the doublet is positive. : : : : : : : : : : : : : : : : Components of the Beam Analysis Area (slot length, aperture, beam pipe shape,anges) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Parameters of the quadrupoles, steering magnets, spectrometer dipole and corresponding power supplies installed in the Beam Analysis Area (800 MeV). : : : : : : : : : : : : : : : : : Quadrupole Parameters : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Cavity design and measured parameters : : : : : : : : : : : : Parameters of sub - picosecond streak cameras available : : : : Parameters of a HERA beam loss monitor : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Beam parameters of several machines (E mac is the beam energy per macro pulse). : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Temperatures and stresses for several parameters and arrangements. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Properties of some materials. The pyrolytic graphite exhibits very anisotropic properties. It can be produced in plates of some mm thickness and up to cm diameter. The high value of thermal conductivity holds only in radial direction of these plates (which would be excellent for our purposes because it is perpendicular to the beam direction). : : : : : : : 435

16 xiv LIST OF TABLES 9.13 Power deposition for dierent geometries (t = transverse lost, w = deposited in water, c = deposited in copper). Longitudinal losses are in all cases negligible. All runs were performed at 800 MeV beam energy. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Clock Timing, and RF Frequency Harmonics : : : : : : : : : RF monitor points for the four cryomodules : : : : : : : : : : Diagnostics and interlock signals at the input coupler. : : : : : Preliminary parameter list of a TESLA SASE FEL. The insertion device is assumed to be a planar hybrid undulator. The values 12 quoted should be considered a guideline only since neither optimization is nished yet nor any experimental experience is available in this wavelength regime. Therefore, a rst test is envisaged at a wavelength larger by some factor of ten. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Time scales for Positrons. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Parameters of a slow-positron source at the TTF. : : : : : : : Existing linac based slow-positron sources. : : : : : : : : : : : Planned and existing slow-positron sources. As primary sources electron beams (}), bremsstrahlung photon beams ( ) and radioactive isotopes are used. The planned high intensity sources based on isotopes are located at high ux ssion reactors. : : : 535 A.1 TESLA 500 { TTFL parameter comparison. : : : : : : : : : : 537 A.2 Injector I : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 538 A.3 Injector II: RF photoemission gun and accelerating section. : : 539 A.4 RF cavity parameters for the TTFL : : : : : : : : : : : : : : : 540 A.5 Summary of the cryogenic system heat budget. : : : : : : : : : 540 A.6 Parameters of TESLA 500 and TESLA 1000 as of Jan 95. ( Parameters are under evaluation at time of printing.) Items marked with a dagger (y) are analytical results, while items marked with a double{dagger (z) are the results of simulations carried out by Schulte. N* is number of electrons (or positrons) per crossing, produced with p t >20 MeV/c and angle > 0.15 rad. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 541

17 List of Figures 1.1 Layout of the TESLA Test Facility : : : : : : : : : : : : : : : Schematic of the TTFL : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : RF waveform, cavity gradient, and beam time structure for Injectors I and II. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Electric eld distribution for 9 cell TESLA cavity. Dotted lines indicate position of irises. Horizontal scale is centimeters Schematic layout of TTF Injector. Units are millimeters. : : : Longitudinal phase space (left) and transverse phase space (right) at the exit of the capture cavity 5140 mm from exit of gun for surface eld of 30 MV/m. Beam energy is 14.6 MeV. : Bunch population distribution as function of phase (left) and energy (right) at the exit of the capture cavity 5140 mm from exit of gun for surface eld of 30 MV/m. Beam energy is 14.6 MeV. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Longitudinal phase space (left) and transverse phase space (right) at the exit of the capture cavity 5140 mm from exit of gun for surface eld of 20 MV/m. Beam energy is 10.0 MeV. : Bunch population distribution as function of phase (left) and energy (right) at the exit of the capture cavity 5140 mm from exit of gun for surface eld of 20 MV/m. Beam energy is 10.0 MeV. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : The denition of the FIDO cell and the geometrical constraints for nding a periodic solution. : : : : : : : : : : : : : : : : : : 35 xv

18 xvi LIST OF FIGURES 2.9 The periodic solution for the FIDO lattice. The TTF accelerator's geometry is shown on axis and consists of four equal modules each containing eight superconducting cavities followed by a quadrupole doublet. Here, the accelerating elds are o. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : The eect of the standing wave accelerating eld on the periodic solution for the FIDO lattice. : : : : : : : : : : : : : : : : The eect of the accelerating eld of a travelling wave structure on the periodic solution for the FIDO lattice. : : : : : : : The calculation of the rst order beam transport matrix elements according to the theoretical description (bullets) and using a modied eld emission tracking program (triangles) : : The electron beam properties at the exit of the superconducting capture cavity as they result from PARMELA simulations. The four pictures show a cross section through the beam, and the longitudinal as well as the transverse phase space distribution. The ellipses shown correspond to 2-values. : : : : : : Beam envelopes along the matching section for the FIDO lattice (no acceleration). The upper part of the gure exhibits the geometry. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Beam envelopes along the matching section and linac at a gradient of 15 MeV/m. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Beam envelopes along the the matching section, the 12.2 m warm section (planned for the bunch compressor) and the linac at a gradient of 15 MV/m : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Beam Analysis Area : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Simulated quadrupole scan to determine the beam emittance. The square of the beam size (rms value) is plotted as a function of the quadrupole excitation (solid line: t, diamonds: simulated data). : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Beam envelopes through the analysis area for TTF parameters. The calculation starts with the last quadrupole doublet. : Schematic of modied Saclay gun with reduced anode-cathode gap. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Schematic of electrostatic column used at THD : : : : : : : : 62

19 LIST OF FIGURES xvii 3.3 EGUN simulation showing 115 ma beam traversing gun and rst ve rings of the electrostatic column. The potentials (kv) are 0, 30, 30, 38,46, 54, 63. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Schematic of the high voltage system for gun and electrostatic column. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Element layout for gun and column high voltage system. : : : Injector pulse structure. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Block diagram of the gun systems : : : : : : : : : : : : : : : : The subharmonic buncher cavity. : : : : : : : : : : : : : : : : Injector low-level RF system. : : : : : : : : : : : : : : : : : : Transverse phase space plots at output of capture cavity for 10 MeV beam (solid line), 12.3 MeV (dashes) 7.9 MeV (dots) Injector I layout and beam envelope (2) throughout Injector I as given by PARMELA calculations. : : : : : : : : : : : : : : Beam envelope (2) in the analyzing beamline as a function of distance from output of the capture cavity. Dotted line: no energy spread; solid line: E 70 kev. Dipole focal distances dier by 25 cm in the horizontal and in the vertical planes. : : OTR monitor and camera setup. : : : : : : : : : : : : : : : : Signal processing for the beam position monitors. : : : : : : : Arrangement to measure stability of beam phase with respect to RF. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Sketch showing location of focussing and bucking solenoids : : Schematic of the photoinjector for Injector II : : : : : : : : : : Layout of beamline components for the Tesla Test Facility : : Emittance and envelope evolution for 10 nc operation. : : : : Longitudinal phase space at the end of the injector, prior to compression. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Transverse phase space at the end of the injector, prior to compression. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Layout of beamline components for testing the photoinjector at A.N.L. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Schematic of time resolving emittance measurement apparatus Preliminary design concept of MBI laser, from I. Will, TTF/Hasylab Meeting Proceedings, DESY, May 6, : : : : : : : : : : : 111

20 xviii LIST OF FIGURES 4.1 URMEL calculation of E peak =E acc for dierent number of meshpoints, and two cavity shapes, a and b. : : : : : : : : : : : : : Contour of dierent cavities for minimizing E peak =E acc (a: scaled HERA shape; b and c: improved cavity shape) : : : : : : : : : Geometric parameters of the TESLA cavity : : : : : : : : : : Trapped T E 121 mode (upper curve) and untrapped T E 121 mode by use of asymmetric end cells (lower curve). The 9-cell cavity extends from 116 to 960 on the horizontal scale. Vertical scale is proportional to the magnitude of the electric eld. : : : : : Eect of detuning of one cell to the T E 111 eld prole; upper curve as fabricated, lower curve with one cell detuned by 1 MHz Eect of asymmetric end cell tuning. The magnitude of the elds in the end cells are indicated in the lower graph. : : : : : Damping of dipole modes. The upper graph demonstrates that two couplers are needed for a single cell. The lower graph demonstrates that four couplers are needed for a multicell cavity, without polarization. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Eect of polarizing the cavity. Only two couplers are needed for a multicell cavity. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Strategy to overcome the need of polarizing the cavity. : : : : Demountable HOM coupler. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Maximum temperature on the stub end of the coupler vs cw eld Welded version of HOM coupler : : : : : : : : : : : : : : : : : Filling process of a 9-cell cavity; drive pulse in cell 1, eld in cell 9: upper curve as calculated, lower curve as measured. Horizontal axis in both cases 200 nsec/div or 2 microsec full scale. The vertical axis is proportional to electric eld in cell Energy density at inner surface of a half=cell. : : : : : : : : : TTF Cavity with conical reinforced head plate and stiening ring. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : a) Deformation of a 2.5mm thick stiened cell wall due to Lorentz forces of E acc = 25MV m 1 (gray = deformed). b) Deformation of a 2.5mm thick unstiened cell wall due to Lorentz forces at E acc = 25MV m 1 (gray = deformed). : : : : : : : : Typical measured thickness variation of cavity cell. : : : : : : New design of the He-vessel with reduced diameter and cross section of new vessel. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 153

21 LIST OF FIGURES xix 4.19 Earlier design of He-vessel with larger diameter. : : : : : : : : Attachments to He-vessel. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : How the CTS is acting on the cavity length. : : : : : : : : : : Two lever concept and leaf shaped articulation. : : : : : : : : Map of the magnetic eld in the hall of TESLA TTF. : : : : : Permeability of some magnetic materials as a function of temperature (from VAC catalogue). : : : : : : : : : : : : : : : : : The demagnetizing coecient of a cylinder vs. its Length/- Diameter ratio. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Distribution of B k along the axis of a cylindrical shield: a) without end cap; b) with end cap. Calculation with the nite element code BACCHUS, assuming a tube of dimensions: L=1300 mm, D=250 mm, d=l mm, with a permeability = : : Distribution of B k along the axis of a string of cylindrical shields of same dimensions and characteristics as in Fig : a) without end cap; b) with end cap. : : : : : : : : : : : : : Field prole along the axis of a TESLA TTF cryomodule shielded by two layers of passive shields, as calculated with BACCHUS. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Principle of a mixed shielding scheme, applied to a TESLA TTF cryomodule. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : The eld prole measured along the axis of the scale 1/4 model of a TESLA TTF cryomodule. : : : : : : : : : : : : : : : : : : The Cryoperm shield around the helium vessel. : : : : : : : : The Fermilab RF input coupler for the TESLA Test Facility. : Calculated S k magnitude and phase response of the conical coaxial ceramic window. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Implementation of the coaxial window design. : : : : : : : : : Doorknob transition with cylindrical ceramic window. : : : : : Calculated S k magnitude and phase response of the broadband doorknob transition without window. : : : : : : : : : : : : : : A coupler design featuring two coaxial windows. : : : : : : : : DESY type TESLA Main Coupler. : : : : : : : : : : : : : : : Reection of 300 K window vs. frequency from measurement. a) Amplitude. b) Phase. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Reection of 70 K window vs. frequency by computation. a) Amplitude. b) Phase. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 186

22 xx LIST OF FIGURES 5.1 The First Stage of the Assembly of the Cryogenic System : : : Block Diagram of the Cryogenic System after second stage : : K/1.8K Stage II (200 W) (principal schema) : : : : : : : : Cryomodule cross section at the location of the gate valve at the module end. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Schematic View of the Cryostat : : : : : : : : : : : : : : : : : Detailed view of cryostat posts : : : : : : : : : : : : : : : : : : Loads and HeGRP computed deection under load : : : : : : Sketch of the AM Suspension System First Assembly Phases : Schematic View of the AM Insertion into the Cryostat Sequence Vertical test cryostat : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Vertical test cryostat schematic : : : : : : : : : : : : : : : : : Horizontal Test Cryostat CHECHIA : : : : : : : : : : : : : : Functional diagram of the capture cavity cryostat. : : : : : : : Isometric representation of the capture cavity cryostat. : : : : Module cryostat : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : TESLA cryostat sketch : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Quadrupole Package : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Cross Section of Quadrupole inside Cryomodule : : : : : : : : Side View of Helium Vessel in Cryomodule : : : : : : : : : : : Field Gradient along Quadrupole Axis : : : : : : : : : : : : : Integral Gradient as a Function of Current : : : : : : : : : : : Integral Dodecapole and 20-Pole of Quadrupoles at 10 mm Radius : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Quadrupole Cross Section showing Yoke and Coils : : : : : : : Helium Vessel End Plate with Reference Arms : : : : : : : : : Cross Section of Dipole Correction Coils : : : : : : : : : : : : Current Leads : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Electrical connections inside Helium VesseL : : : : : : : : : : Beam Tube at Quadrupole Package : : : : : : : : : : : : : : : Beam Position Monitor : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Arms with Reference Targets at Cavities : : : : : : : : : : : : Power supply regulation schematic. : : : : : : : : : : : : : : : Layout for the Beam Pipe Venting : : : : : : : : : : : : : : : Gate valves at module interface : : : : : : : : : : : : : : : : : 275

23 LIST OF FIGURES xxi 7.3 Loss factor (V/pC) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Layout of the bellow section between cavities : : : : : : : : : : Interconnect of modules : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Input Coupler Vacuum System for the TTF Modules : : : : : Oil-Free Pump Station. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Klystron with and without modulating anode. : : : : : : : : : Hard tube modulator for a klystron with modulating anode. The beam current in the klystron is controlled by the potential of the modulating anode. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Klystron modulator with a series switch tube. : : : : : : : : : Schematic electrical circuit of the Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) coil circuit coupled to a klystron through a pulse transformer. Transfer of a part of the electrical energy stored in the superconducting coil requires switching of the high current in the coil at a 10 Hz rate. : : : : : : : : : : : : : Principle of a Pulse Forming Network (PFN) or Line Type Modulator. At the voltage level of 10 kv the network L1, C1 reduces uctuations of the charging current of the subsequent PFN below the 5 % level. By discharging the PFN into the pulse transformer, a 2 ms 130 kv pulse is generated every 98 ms. The energy stored in the PFN is comparable to the total amount of energy needed per pulse, i.e. about 18 kj. : : : : : Layout of the RF distribution scheme. One 5 MW klystron feeds two cryounits. The coupler hybrids branch o equal amounts of power into the individual cavities. : : : : : : : : : Detail layout of RF distribution scheme. : : : : : : : : : : : : Schematic of the phase, amplitude and tuner control circuits. : a Matched case. Once the cavity voltage has reached the nominal voltage of 25 MV in our case, the beam is injected and the voltage, which would rise up to 50 MV otherwise, stays constant. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 302

24 xxii LIST OF FIGURES 8.9b Microscopic behaviour. The immediate voltage drop U of cavity voltage caused by the passage of a bunch of charge q is given by U = q=c if the bunch arrives at the crest of the RF voltage. C is the capacity of the cavity. After the bunch passage, the cavity voltage rises again with the time constant. The time spacing between individual bunches is 1s. Note the zoomed vertical scale. Here we neglect the eect of the nite propagation velocity of the RF power in the 9 cell cavity structure. It has been shown to be a small eect (see footnotes in text). : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : c The eect of random uctuations of individual bunch charge of 30 % is well below 1 %. This is not unexpected since the energy stored in the cavity is about 400 times the nominal energy carried away by one bunch. Note the zoomed vertical scale. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : d The eect of random uctuations of individual bunch charge of 100 % is well below 1 %. This is not unexpected since the energy stored in the cavity is about 400 times the nominal energy carried away by one bunch. Note the zoomed vertical scale. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : e An error of 20 % in causes a maximum deviation of 3 % from nominal voltage. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : f A change of 5 % in total bunch charge or beam current changes the cavity voltage by 3 % during the duration of the pulse. : : g Sum of 10 cavity voltages with coupling ratio ranging from to For some coupling ratios the voltage variation may be of the order of 3 % as is shown in Fig. 9e. Due to the changing slope of the cavity voltage as a function of the variation of the sum is well below 1 %. Naturally, the absolute value of the voltage sum is somewhat reduced in this case, i.e. 235 MV rather than 250 MV. : : : : : : : : : : : : : : : : : : 307

25 LIST OF FIGURES xxiii 8.10 Due to mechanical properties of the cavity its resonance frequency still changes after the nominal eld has been reached. The resulting tuning errors can be minimized to about 6 by introducing a frequency jump of the order of 200 Hz prior to injection of the beam. During lling of the cavity the generator frequency is locked to the cavity resonance frequency and there is no phase error. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Relative cavity frequency and phase errors for both methods. : Measured amplitude and phase error for optimal (top), too high (center) and too low (bottom) tunings for the self-exciting loop : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Amplitude and phase histograms for static cavity tuning errors Amplitude and phase histograms for K and m spreads : : : : Amplitude and phase histograms for a external Q spread with both methods : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Needed source power (in kw) vs. the uctuation level of the total voltage : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Phase proles for the optimal initial tuning and 50 Hz variation due to microphonics. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : RF control module for the capture cavity. : : : : : : : : : : : Inuence of perveance on klystron eciency. From G. Faillon et al. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Structure of Multibeam Klystron. From G. Faillon et al : : : : Schematic of the magnicon. From O. Nezhevenko et al : : : : Distribution of electromagnetic elds in magnicon cavities. From O. Nezhevenko et al : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Basic Circuit Diagram : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Tesla Modulator Topology : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Main Capacitor Bank Voltage (Top) and Bouncer Voltage (500V/div, 1 ms/div, Main Capacitor Bank Zero Suppressed) Expanded Secondary Voltage (Top) and Secondary Voltage (2 kv/div, 20 kv/div, 0.5 ms/div,expanded Zero Suppressed) : : GTO Switch Schematic : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Primary Voltage (Top) and Current During a Gun Spark ( 10 kv/div, 600 A/div, 100 s/div) : : : : : : : : : : : : : : : : : Bouncer Voltage ( Top ) and Modulator Primary Current (500 V/div, 300 A/div, 1 ms/div) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 333