Vector Sum Control of Pulsed Accelerating Fields in Lorentz Force ...

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Transfer Medium 

beam tubes 

machinery 

(external vibration sources) 

traffic 

ground motion 

ocean waves 

compressors, 

pumps 

ground, supports 

Helium transfer line, 

heat exchanger 

Helium gas 

cavity, 

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10 (rms) 

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3 

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10 (rms) 


10 (rms) 

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phase error [deg] 

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Oscillator 

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Controller 

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Amplitude 


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Klystron 

Phase 

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Phase 

Detector 

Amplitude 


Amplitude Detector 

(Gradient Detector) 

Cavity 

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Limiter 

Phase 


Φ 

Amplitude 


A 

Klystron 

Φ 

Loop Phase 

Amplitude Detector 

(Gradient Detector) 

Master 

Oscillator 

Phase 


Φ 

Amplitude 


Phase 

Detector 

Cavity 

Self-Exited Loop 

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Amplitude 


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Klystron 

“Direct” RF Feedback 

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1271 MHz 1301 MHz 

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f 

f 

f 

f 

π 

f 

8/9π 

f 

7/9π 

f 

6/9π 

5/9π 

4/9π 

3/9π 

2/9π 

1/9π 

= 1300.091 MHz 

= 1299.260 MHz 

= 1296.861 MHz 

= 1293.345 MHz 

= 1289.022 MHz 

= 1284.409 MHz 

= 1280.206 MHz 

= 1276.435 MHz 

= 1274.387 MHz 

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transmission 

line 

cavity 

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I b 

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transmission 


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generator 

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Z 0 

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C 

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I b 

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Z 0 

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b) right side of reference plane A: 

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I' ref 

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I' for 

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Z 0 

Z' cav 

V' cav 

I' cav 

~ 

I' b 

x 

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0 

c) right side of reference plane B: 

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~ 

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I cav 

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Frequency shift due to 

Lorentz forces: -394 Hz 

Frequency shift due to 

Lorentz forces: -875 Hz 

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TTF RF scheme 

Klystron 

Vector 

Modulator 

Master 

Oscillator 

Power Transmission Line 

Circulator 

RF 

f 

200 kW 

Reflected 

Power 

Re Im 

RF 

LO 

Directional 

Couplers 

RF 

LO 

f RF = 144 × f ref 

≅ 1300 MHz 

Forward 

Power 

Waveguide 

Tuner 

RF 

LO 

Cryomodule 1 

Cavity 8 

Cavity 1 

8x 

...... 

Tuner 

Tuner 

Field Probe 

Incident Wave 

Reflected Wave 

LO 

DAC 

DAC 

vector 

modulator 

I/Q driver 

4 × 4 channel 

ADC board 

14 bit @ 1 MHz 

2 channel DAC Board 

16-bit @ 1 MHz 

250 kHz 

DSP 1 

DAC 

Im 

DSP 3 

to LO of 

DSP-ADC 

Boards 

ADC 

Re 

DSP 2 

DAC 

LO 

DSP Board (DBV44) 

with TMS320C40 

S&H 

ADC 

-1 V 

ADC 

SUN 

M 

E 

ADC 

sample & hold 

timing signals 

f s ≈ 1 MHz Clock 

ADC 

Transient 

Detection 



Timing ( 10) 

f c = 10.030861 MHz f c = 10.030861 MHz 

Timing ( 10) 

d„Dgaj_;>=< … rÊÈ 

"€2?6 VWD:PDg=DF8;:PDFLj0 

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d„DFaj_S>Z< … r 

Master Oscillator 

V 

f = 1.3 GHz 

RF 

f = 1.3 GHz (RF Signal) 

RF 

1 µs 

90 o 

f c = 10 MHz 

(Timing) 

RF 

IF 

LO 

250 kHz 

steps 

DAC 

DAC 

I/Q - Driver 

vector 

modulator 

1 

2 3 4 

t [µs] 

d„DFaj_S>Z< … r % 

d„DFaj_S>ZGDgHR6 @jÈ9Ã*ÁWÅel 

Hž:P

cavity #1 

cavity #2 

cavity #3 

cavity #4 

cavity #5 

cavity #6 

cavity #7 

cavity #8 

LO 

LO 

LO 

LO 

LO 

LO 

LO 

LO 

ADC 

ADC 

ADC 

ADC 

ADC 

ADC 

ADC 

ADC 

PLD 

PLD 

PLD 

PLD 

DSP 1 

DSP 2 

DSP 3 

from 

M.O. 

vector 

modulator 

Re 

Im 

DAC 

DAC 

PLD 

to klystron 

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18 

10 

16 

0 

14 

−10 

gradient [MV/m] 

12 

10 

8 

6 

4 

2 

0 

filling 

individual 

gradients 

of 

7 cavities 

field decay 

0 500 1000 1500 

time [µs] 

phase [deg] 

−20 

−30 

−40 

−50 

−60 

−70 

−80 


individual 

phase of 

7 cavities 

field decay 

0 500 1000 1500 

time [µs] 

accelerating voltage [MV] 

120 

100 

80 

60 

40 

20 

0 


amplitude 


vector-sum 


7 cavities 

field decay 

0 500 1000 1500 

time [µs] 

accelerating phase [deg] 

10 

0 

−10 

−20 

−30 

−40 

−50 

−60 


phase of 

vector-sum of 

7 cavities 

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time [µs] 

field decay 

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−50 

−100 

continuous 

discrete 

(simplified) 

discrete 

discrete 


simplified, discrete 

−150 

10 0 10 2 10 4 10 6 

frequency [Hz] 

phase [deg] 

200 

0 

−200 

−400 

discrete 


discrete 

(simplified) 

−600 

discrete 


simplified, discrete 

−800 

10 0 10 2 10 4 10 6 


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−50 

−100 

10 0 10 2 10 4 10 6 

0 

−200 

−400 

−600 

−800 

gain: 

80 

(38 dB) 

gain: 

165 

(44 dB) 


phase margin Φ = 55° 

(with loop gain of 80) 

−180° 

−1000 

10 0 10 2 10 4 10 6 


Φ 

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