Solid state high power RF system for superconducting cavities
Solid State High Power RF System is proposed for XFEL and ILC. It includes individual RF power supply for each SC cavity and common control system. Each RF power supply includes Solid State Generator, circulator and Q-tuner. Triggering, synchronization, output power and phase of each Solid State Gen...
Збережено в:
| Дата: | 2010 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2010
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15692 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Solid state high power RF system for superconducting cavities / A.A. Zavadtsev, D.A. Zavadtsev, L.V. Kravchuk, S.V. Kutsaev // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 78-80. — Бібліогр.: 3 назв. — англ. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-15692 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Zavadtsev, A.A. Zavadtsev, D.A. Kravchuk, L.V. Kutsaev, S.V. 2011-01-31T15:27:43Z 2011-01-31T15:27:43Z 2010 Solid state high power RF system for superconducting cavities / A.A. Zavadtsev, D.A. Zavadtsev, L.V. Kravchuk, S.V. Kutsaev // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 78-80. — Бібліогр.: 3 назв. — англ. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15692 Solid State High Power RF System is proposed for XFEL and ILC. It includes individual RF power supply for each SC cavity and common control system. Each RF power supply includes Solid State Generator, circulator and Q-tuner. Triggering, synchronization, output power and phase of each Solid State Generator are controlled from the common control system through fiber-optic lines. Main parameters of Solid State Generator are: frequency 1.3 GHz, peak power 128 kW, pulse length 1.4 msec, repetition rate 10 Hz, average power 1.8 kW, CW power 2.5 kW. Advantages of Solid State High Power RF System are: simple triggering, synchronization, output power and phase adjustment for all cavities separately, operation both in pulse and in CW modes, unlimited lifetime, no high voltage, no oil-tank, compactness. Предложен твердотельный вариант СВЧ-системы питания для проектов XFEL и ILC, включающий индивидуальный источник питания для каждого СП-резонатора и общую систему управления. Каждый источник питания содержит твердотельный генератор, циркулятор и систему подстройки добротности. Переключение, синхронизация, выходная мощность и фаза каждого твердотельного генератора контролируются общей системой управления по средствам оптоволоконного кабеля. Основные параметры твердотельного генератора: частота 1,3 ГГц, пиковая мощность 128 кВт, длина импульса 1,4 мс, частота повторения 10 Гц, средняя мощность 1,8 кВт, непрерывная мощность 2,5 кВт. Преимущества твердотельной СВЧ-системы питания: простые переключение и синхронизация, раздельная подстройка выходной мощности и фазы для каждого резонатора, возможность работы как в импульсном, так и в непрерывном режиме, неограниченный срок службы, отсутствие высокого напряжения и масляного бака, компактность. Запропоновано твердотільний варіант НВЧ-системи живлення для проектів XFEL і ІLC, що включає індивідуальне джерело живлення для кожного НП-резонатора і загальну систему керування. Кожне джерело живлення містить твердотільний генератор, циркулятор і систему підстроювання добротності. Перемикання, синхронізація, вихідна потужність і фаза кожного твердотільного генератора контролюються загальною системою керування по засобах оптоволоконного кабеля. Основні параметри твердотільного генератора: частота 1,3 ГГц, пікова потужність 128 кВт, довжина імпульсу 1,4 мс, частота повторення 10 Гц, середня потужність 1,8 кВт, безперервна потужність 2,5 кВт. Переваги твердотільної НВЧ-системи живлення: прості перемикання і синхронізація, роздільне підстроювання вихідної потужності і фази для кожного резонатора, можливість роботи як в імпульсному, так і у безперервному режимі, необмежений термін служби, відсутність високої напруги і масляного бака, компактність. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Физика и техника ускорителей Solid state high power RF system for superconducting cavities Твердотельная СВЧ-система питания для сверхпроводящих резонаторов Твердотільна НВЧ-система живлення для надпровідних резонаторів Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Solid state high power RF system for superconducting cavities |
| spellingShingle |
Solid state high power RF system for superconducting cavities Zavadtsev, A.A. Zavadtsev, D.A. Kravchuk, L.V. Kutsaev, S.V. Физика и техника ускорителей |
| title_short |
Solid state high power RF system for superconducting cavities |
| title_full |
Solid state high power RF system for superconducting cavities |
| title_fullStr |
Solid state high power RF system for superconducting cavities |
| title_full_unstemmed |
Solid state high power RF system for superconducting cavities |
| title_sort |
solid state high power rf system for superconducting cavities |
| author |
Zavadtsev, A.A. Zavadtsev, D.A. Kravchuk, L.V. Kutsaev, S.V. |
| author_facet |
Zavadtsev, A.A. Zavadtsev, D.A. Kravchuk, L.V. Kutsaev, S.V. |
| topic |
Физика и техника ускорителей |
| topic_facet |
Физика и техника ускорителей |
| publishDate |
2010 |
| language |
English |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Твердотельная СВЧ-система питания для сверхпроводящих резонаторов Твердотільна НВЧ-система живлення для надпровідних резонаторів |
| description |
Solid State High Power RF System is proposed for XFEL and ILC. It includes individual RF power supply for each SC cavity and common control system. Each RF power supply includes Solid State Generator, circulator and Q-tuner. Triggering, synchronization, output power and phase of each Solid State Generator are controlled from the common control system through fiber-optic lines. Main parameters of Solid State Generator are: frequency 1.3 GHz, peak power 128 kW, pulse length 1.4 msec, repetition rate 10 Hz, average power 1.8 kW, CW power 2.5 kW. Advantages of Solid State High Power RF System are: simple triggering, synchronization, output power and phase adjustment for all cavities separately, operation both in pulse and in CW modes, unlimited lifetime, no high voltage, no oil-tank, compactness.
Предложен твердотельный вариант СВЧ-системы питания для проектов XFEL и ILC, включающий индивидуальный источник питания для каждого СП-резонатора и общую систему управления. Каждый источник питания содержит твердотельный генератор, циркулятор и систему подстройки добротности. Переключение, синхронизация, выходная мощность и фаза каждого твердотельного генератора контролируются общей системой управления по средствам оптоволоконного кабеля. Основные параметры твердотельного генератора: частота 1,3 ГГц, пиковая мощность 128 кВт, длина импульса 1,4 мс, частота повторения 10 Гц, средняя мощность 1,8 кВт, непрерывная мощность 2,5 кВт. Преимущества твердотельной СВЧ-системы питания: простые переключение и синхронизация, раздельная подстройка выходной мощности и фазы для каждого резонатора, возможность работы как в импульсном, так и в непрерывном режиме, неограниченный срок службы, отсутствие высокого напряжения и масляного бака, компактность.
Запропоновано твердотільний варіант НВЧ-системи живлення для проектів XFEL і ІLC, що включає індивідуальне джерело живлення для кожного НП-резонатора і загальну систему керування. Кожне джерело живлення містить твердотільний генератор, циркулятор і систему підстроювання добротності. Перемикання, синхронізація, вихідна потужність і фаза кожного твердотільного генератора контролюються загальною системою керування по засобах оптоволоконного кабеля. Основні параметри твердотільного генератора: частота 1,3 ГГц, пікова потужність 128 кВт, довжина імпульсу 1,4 мс, частота повторення 10 Гц, середня потужність 1,8 кВт, безперервна потужність 2,5 кВт. Переваги твердотільної НВЧ-системи живлення: прості перемикання і синхронізація, роздільне підстроювання вихідної потужності і фази для кожного резонатора, можливість роботи як в імпульсному, так і у безперервному режимі, необмежений термін служби, відсутність високої напруги і масляного бака, компактність.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15692 |
| citation_txt |
Solid state high power RF system for superconducting cavities / A.A. Zavadtsev, D.A. Zavadtsev, L.V. Kravchuk, S.V. Kutsaev // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 78-80. — Бібліогр.: 3 назв. — англ. |
| work_keys_str_mv |
AT zavadtsevaa solidstatehighpowerrfsystemforsuperconductingcavities AT zavadtsevda solidstatehighpowerrfsystemforsuperconductingcavities AT kravchuklv solidstatehighpowerrfsystemforsuperconductingcavities AT kutsaevsv solidstatehighpowerrfsystemforsuperconductingcavities AT zavadtsevaa tverdotelʹnaâsvčsistemapitaniâdlâsverhprovodâŝihrezonatorov AT zavadtsevda tverdotelʹnaâsvčsistemapitaniâdlâsverhprovodâŝihrezonatorov AT kravchuklv tverdotelʹnaâsvčsistemapitaniâdlâsverhprovodâŝihrezonatorov AT kutsaevsv tverdotelʹnaâsvčsistemapitaniâdlâsverhprovodâŝihrezonatorov AT zavadtsevaa tverdotílʹnanvčsistemaživlennâdlânadprovídnihrezonatorív AT zavadtsevda tverdotílʹnanvčsistemaživlennâdlânadprovídnihrezonatorív AT kravchuklv tverdotílʹnanvčsistemaživlennâdlânadprovídnihrezonatorív AT kutsaevsv tverdotílʹnanvčsistemaživlennâdlânadprovídnihrezonatorív |
| first_indexed |
2025-11-25T19:04:47Z |
| last_indexed |
2025-11-25T19:04:47Z |
| _version_ |
1850519883854381056 |
| fulltext |
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2010. № 2.
Series: Nuclear Physics Investigations (53), p.78-80.
78
SOLID STATE HIGH POWER RF SYSTEM
FOR SUPERCONDUCTING CAVITIES
A.A. Zavadtsev1, D.A. Zavadtsev1, L.V. Kravchuk2, S.V. Kutsaev1
1Nano Invest, Reutov, Russia;
2Institute for Nuclear Research of RAS, 117312, Moscow, Russia
E-mail: azavadtsev@yandex.ru
Solid State High Power RF System is proposed for XFEL and ILC. It includes individual RF power supply for
each SC cavity and common control system. Each RF power supply includes Solid State Generator, circulator and
Q-tuner. Triggering, synchronization, output power and phase of each Solid State Generator are controlled from the
common control system through fiber-optic lines. Main parameters of Solid State Generator are: frequency 1.3 GHz,
peak power 128 kW, pulse length 1.4 msec, repetition rate 10 Hz, average power 1.8 kW, CW power 2.5 kW. Ad-
vantages of Solid State High Power RF System are: simple triggering, synchronization, output power and phase ad-
justment for all cavities separately, operation both in pulse and in CW modes, unlimited lifetime, no high voltage, no
oil-tank, compactness.
PACS: 29.17.+w:85.25.-j
1. INTRODUCTION
RF power supply system for superconducting (SC)
accelerating cavities of European XFEL [1] and Interna-
tional Linear Collider (ILC) [2] are based on high peak
power klystrons. RF power from the klystron is
distributed between the cavities through complicate
waveguide RF power distribution system. The XFEL
waveguide RF power distribution system is shown in
Fig.1 [1]. RF power from one klystron is divided
between 32 cavities in 4 cryomodules.
Fig.1. RF waveguide distribution of klystron based
XFEL RF station
So there is the first problem to create high peak RF
power using complicate multi-beam klystrons and high
power modulators and the second problem to distribute
this peak RF power between many cavities.
A development of solid state components during last
years allows us to consider another approach to creation
of RF power supply system to feed SC cavities in linear
accelerators. Solid state high power RF system devel-
oped for XFEL and ILC accelerators includes individual
RF power supply for each SC cavity and common con-
trol&synchronization system.
2. COMPONENT SET
Each RF power supply includes Solid State Genera-
tor, ferrite circulator and Q-tuner.
Solid State Generator consists of following parts:
LLRF (32 W output); eight amplifier units (sixteen
1 kW outputs); eight 16-channel air-isolated water-
cooled strip line RF power adders (16 kW output);
8-channel waveguide RF power adder (128 kW output);
PLC; 50 V DC, 6 kW power supply.
3. MAIN PARAMETERS
Main parameters of Solid State Generator are shown
in Table 1.
Table 1
Main parameters of Solid State Generator
Parameter Units Value
Operating frequency MHz 1300
Peak power kW 128
Pulse length msec 1.4
Pulse repetition rate Hz 10
Synchronization
frequency
MHz 10
Average power kW 1.8
CW power kW 2.5
Output waveguide
port
WR650
Feeding line V/kW/ph/Hz 400/6/3/50
Most input couplers for SC cavity include coaxial
antenna, coaxial line and waveguide to coaxial transi-
tion, needed to connect to the klystron with waveguide
output port. In case of solid state RF generator 8-
channel waveguide RF power adder can be changed by
8-channel strip line (or coaxial) RF power adder with
coaxial output port. It allows to use coaxial input cou-
pler for SC cavity without waveguide to coaxial transi-
tion with coaxial input port.
4. LLRF
Low level RF power supply (LLRF) includes:
master-generator; RF switch; vector-modulator; pre-
amplifier.
Input 10 MHz synchronization signal comes to the
master-generator through fiber-optic line from common
control system. Output frequency of the master-
generator is 1300 MHz.
RF switch forms 1.4 msec 10 Hz pulses.
The vector-modulator allows to control amplitude
and phase of RF power at the cavity input.
79
RF power at the three stage pre-amplifier output is
32 W. This power is divided by 8 and passes to the in-
puts of 8 amplifier units.
Triggering, synchronization, output power and phase
of each Solid State Generator are controlled from the
common control system through fiber-optic lines.
5. AMPLIFIER UNIT
Each amplifier unit includes seventeen 1 kW ampli-
fiers: 16 amplifiers for 16 output channels, one the same
amplifier as a pre-amplifier for first 16 amplifiers and
one-transistor 62 W amplifier stage. The amplifier unit
has one 4 W input and sixteen 1 kW outputs.
Each 1 kW amplifier includes four 250 W transis-
tors. The powers of these transistors are added to one
coaxial line. Output RF power of the amplifier is 1 kW.
Amplification gain is 12 dB. Input RF power is to be
62 W. The transistors are equipped with water-cooled
sink. The whole amplifier is assembled on one PCB.
6. STRIP LINE RF POWER ADDER
Strip line RF power adder is to collect RF power
from 16 amplifiers to one output line. It includes
15 strip line bridges. Strip line is air isolated. Strips are
mounted in the water-cooled body through quarter wave
length line pieces, allowing to fix the line and to cool it.
There are 16 strip line RF power adders in the Solid
State Generator (see Fig.2).
7. WAVEGUIDE RF POWER ADDER
RF power from 16 strip line RF power adders comes
through coaxial lines to 16 inputs of waveguide RF
power adder, which includes 7 waveguide bridges. Each
bridge is equipped with water-cooled waveguide load.
The body of whole waveguide RF power adder is made
of one Al piece (see Fig.3).
8. CONTROL
PLC based control system is used in Solid State
Generator.
9. COOLING
Water-cooling of Solid State Generator is assumed.
Fig.2. Strip line RF power adder
Fig.3. Waveguide RF power adder
10. ENGINEERING DESIGN AND
EQUIPMENT LAYOUT
Fig.4 shows general view of the Solid State Genera-
tor. It includes 8 amplifier units, 8 strip line RF power
adders and 1 waveguide RF power adder.
LLRF is assembled in separate unit. RF power at
LLRF output is 32 W.
The layout of the solid state based equipment in
XFEL tunnel is shown in Fig.5.
Fig.4. General view of Solid State Generator
1 is amplifier unit, 2 is strip line RF power adder,
3 is waveguide RF power adder
CONCLUSIONS
Comparison of the equipment for XFEL on base of
the klystron [1] and solid sate generator is shown in
Table 2.
The tuner in TDR system is to adjust both loaded Q-
factor and the phase. The tuner in Solid State High
Power RF System is simpler. It is to adjust loaded Q-
factor only.
Advantages of Solid State High Power RF System are:
Triggering, synchronization, output power and phase
can be carried out separately for all cavities from con-
trol system through fiber-optic lines. This is very simple
and reliable control way.
Adjustment of input RF power for all cavities is pos-
sible individually in contradiction to High Power RF
System of XFEL TDR [1]. All cavities have different
maximum accelerating gradient. TDR scheme allows us
to have the same input power at all cavities (fed by the
same klystron) and therefore to operate at low accelerat-
80
ing gradient corresponding to the maximum accelerating
gradient of worst cavity. Solid State High Power RF
System allows us to operate at maximum power in each
cavity and therefore at higher total acceleration rate.
Table 2
Comparison of the equipment for XFEL on base of the
klystron and solid sate generator
Klystron RF System Solid State RF System
Unit Qnt Unit Qnt
Modulator 29 Solid State
Generator
928
Klystron 29 Circulator 928
Solenoid 29 Q-tuner 928
Directional coupler 812
Load 812
Circulator 928
Tuner (phase & Q) 928
Waveguide (~100 m) 29
LLRF 29
Solenoid power supply 29
Klystron Ion pump
power supply
29
Waveguide gas filling
system
29
Solid State High Power RF System allows us to ad-
just loaded Q-factor by tuner and accelerating phase by
vector-modulator of Solid State Generator separately,
unlike by the same tuner as in High Power RF System
of XFEL TDR.
Solid State High Power RF System allows us to op-
erate in pulse mode as well as in CW mode as this is
planned in Item #4.1.3.3 of XFEL TDR. This is enough
only to choose operating mode (pulse/CW) in the inter-
face of the control terminal.
Solid State High Power RF System has no limited
lifetime practically after test and rejection of the transis-
tors, unlike High Power RF System based on klystrons
with limited lifetime.
Solid State High Power RF System is low voltage
equipment, unlike klystron based High Power RF Sys-
tem having 100 kV modulators.
Solid State High Power RF System has no oil-tank.
Solid State High Power RF System is very simple
and compact.
Fig.5. Accelerator module with Solid State High Power
RF System in XFEL tunnel.
1 is Solid State Generator, 2 is ferrite circulator,
3 is tuner, 4 is accelerator module
REFERENCES
1. The Technical Design Report of the European
XFEL. http://xfel.desy.de/tdr/tdr/. DESY 2006-097.
July 2007.
2. International Linear Collider.
http://www.linearcollider.org/cms/.
3. A.Zavadtsev, D.Zavadtsev, et al. // Solid State High
Power RF System for Superconducting Linacs //
Proc. of PAC’09.
Статья поступила в редакцию 07.09.2009 г.
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ СВЧ-СИСТЕМА ПИТАНИЯ ДЛЯ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ РЕЗОНАТОРОВ
А.А. Завадцев, Д.А. Завадцев, Л.В. Кравчук, С.В. Куцаев
Предложен твердотельный вариант СВЧ-системы питания для проектов XFEL и ILC, включающий ин-
дивидуальный источник питания для каждого СП-резонатора и общую систему управления. Каждый источ-
ник питания содержит твердотельный генератор, циркулятор и систему подстройки добротности. Переклю-
чение, синхронизация, выходная мощность и фаза каждого твердотельного генератора контролируются об-
щей системой управления по средствам оптоволоконного кабеля. Основные параметры твердотельного ге-
нератора: частота 1,3 ГГц, пиковая мощность 128 кВт, длина импульса 1,4 мс, частота повторения 10 Гц,
средняя мощность 1,8 кВт, непрерывная мощность 2,5 кВт. Преимущества твердотельной СВЧ-системы пи-
тания: простые переключение и синхронизация, раздельная подстройка выходной мощности и фазы для ка-
ждого резонатора, возможность работы как в импульсном, так и в непрерывном режиме, неограниченный
срок службы, отсутствие высокого напряжения и масляного бака, компактность
ТВЕРДОТІЛЬНА НВЧ-СИСТЕМА ЖИВЛЕННЯ ДЛЯ НАДПРОВІДНИХ РЕЗОНАТОРІВ
А.А. Завадцев, Д.А. Завадцев, Л.В. Кравчук, С.В. Куцаєв
Запропоновано твердотільний варіант НВЧ-системи живлення для проектів XFEL і ІLC, що включає ін-
дивідуальне джерело живлення для кожного НП-резонатора і загальну систему керування. Кожне джерело
живлення містить твердотільний генератор, циркулятор і систему підстроювання добротності. Перемикання,
синхронізація, вихідна потужність і фаза кожного твердотільного генератора контролюються загальною си-
стемою керування по засобах оптоволоконного кабеля. Основні параметри твердотільного генератора: час-
тота 1,3 ГГц, пікова потужність 128 кВт, довжина імпульсу 1,4 мс, частота повторення 10 Гц, середня поту-
жність 1,8 кВт, безперервна потужність 2,5 кВт. Переваги твердотільної НВЧ-системи живлення: прості пе-
ремикання і синхронізація, роздільне підстроювання вихідної потужності і фази для кожного резонатора,
можливість роботи як в імпульсному, так і у безперервному режимі, необмежений термін служби, відсут-
ність високої напруги і масляного бака, компактність.
|