IN2P3 Les deux infinis

A.FALOU/ LAL-Orsay Journées Accélérateurs de la SFP/ Roscoff/ 12-14 Octobre 2009 1 IN2P3 Les deux infinis

Aboud Falou (LAL-Orsay)

Journées Accélérateurs de la SFP(Roscoff du 12 au 14 Octobre 2009)

Coupleurs de puissance 1.3GHzCoupleurs de puissance 1.3GHzde la R&D à la Production en Sériede la R&D à la Production en Série

Participation du LAL au Linac XFEL à DESYParticipation du LAL au Linac XFEL à DESY

A.FALOU/ LAL-Orsay Journées Accélérateurs de la SFP/ Roscoff/ 12-14 Octobre 2009 2

Les coupleurs de puissance dans la machine XFEL

Eléments d’interface et connexion aux systèmes voisins

Expérience acquise au LAL sur TTF-3

Marché de définition (évaluation des propositions techniques)

Conditionnement HF des coupleurs prototypes XFEL

Stratégie du marché de production en série

Station RF XFEL et logistique de transport/stockage

Planning prévisionnel 2009/2012

Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série

SOMMAIRE



Composants fonctionnels du Coupleur XFEL (M.Lacroix)

Moteur

1.8K4K

77K

Port de Pompage

Soufflet Chaud

Soufflet Froid

Céramique Froide

Transition ChaudeCavité Supraconductrice

Partie Chaude

Partie Froide Faisceau d’électrons

298KAntenne HF

Condensateur

+/-10mm

Céramique Chaude

Pick-up e-


Fréquence HF 1.3GHz

Taux de répétition 10Hz

Puissance crête 150kW

Qext 2x106 – 7x107

Conditionnement à T°C ambiante (commissioning cryogénique sur modules définitifs DESY)

Impulsions progressives 20, 50, 100, 200, 400 μs (Pmax 1.0MW)

Ensuite 0.8, 1.3ms (Pmax 500kW)


Performances HF et Technologiques du coupleur XFEL

2 fenêtres céramique (chaude/froide)

Ajustement antenne ±10mm (avec une résolution absolue de 0.1mm)

Déplacement latéral 5 mm

Taux de fuite 3.5x10-10 mbar.l/s

Pertes thermiques Sur bride à 1.8K ≤ 0.06 W

Sur écran à 4K ≤ 0.5 W

Sur bride à 77K ≤ 6.0 W



Interfaces avec le réseau guides d’ondes et les cryomodules

WP 1 – Waveguide1. Waveguide flange, bolts

and nuts2. Kapton window ? seal ?

WP 3 – Cryomodule1. Flange on vacuum

vessel, gasket, bolts2. Coupler supports (left &

right), bolts3. Connection of Cu braids

from 80K thermal shield, bolts

4. Connection of Cu braids from 4K thermal shield, bolts

5. 4 holes in 4K interface for assembly rods

6. Super insulation

1.1

1.2

3.1

3.2

3.3

3.4

8.1

28.1

28.2

28.5

34.1



Interfaces avec les cavités supra, la ligne de pompage vide et le système de contrôle

WP 8 – Cavity & vacuum1. Cavity flange, gasket,

bolts & nuts2. Coupler vacuum pumping

port, gasket, bolts & nutsWP 9 – Cavity string

assembly1. Two holes in big cold

flange2. Clamp for cold bellows

WP 28 – Control system1. Connector for motor, end

switches, PT1002. Arc detector (cancelled)3. HV connector4. e- pickup5. 2 sensors PT100 in 80K

zone

3.5

8.2

9.1

28.4

28.3

9.1

34.1

?

WP 34 – Utilities1. Two N2 cooling ports2. Ambiante conditions: T, P, H,

radiations ?


L’expérience acquise au LAL dans la réalisation et le conditionnement HF des coupleurs TTF-3 permet de mieux cerner les difficultés de réalisation:

Qualité des soudures (pleine pénétration, état de surface du cordon côté RF).

Brasage céramique/cuivre (tenue mécanique, étanchéité, projections métalliques).

Dépôt TiN & Cu-OFHC (accrochage, épaisseur, rugosité, uniformité & zones frontière).

Assemblage final par soudure (alignement, concentricité, pénétration, surface RF).

Procédures de nettoyage, lavage, séchage et étuvage (accès difficiles, résidus).

Assemblages en salle blanche classe 1000 et classe 10.

Conditionnement HF et Interprétation du comportement coupleur (dégazage des surfaces, activité électronique, multipactor, validation et sweep, durée totale nominale).

Condensateur ou contact HF entre le boîtier guide d’ondes et la partie chaude.

Mécanisme de translation antenne sous UV (alignement, contraintes mécaniques)






Comptage de particules sur les parties froides des coupleurs TTF-3

Inspection visuelle par endoscope des surfaces HF sur la partie chaude d’un coupleur TTF-3



Expérience acquise au LAL sur TTF-3 (H.Jenhani)

Banc de conditionnement RF à T°C ambiante des coupleurs TTF-3 (station R&D au LAL)

Dépendance du temps de conditionnement et de l’étuvage in situ (durée de l’étuvage sous vide 72 heures à 150°C)



Optimisation du temps de conditionnement HF sur TTF-3 (H.Jenhani)



Sur le coupleurs TTF-3, le temps des ~22 heures de conditionnement HF est pratiquement constant.

Les dérives observées ont été le résultat de défauts de fabrication, de non-conformité des joints soudés/brasés ou de projections métalliques sur les céramiques et les surfaces HF cuivrées.



Résultats du Marché de Définition {4 prototypes XFEL}

. Intégration finale brasée, 2 proto en Février 2008:•non-conformité de nettoyage final qui s’est effectué par l’équipe du LAL avec démontage et remontage complet.•Procédure standard automatique de conditionnement impossible. Beaucoup d’activité électronique et d’interlock vide.•Conditionnement terminé par la procédure manuelle.

. Intégration finale soudée FE, 2 proto en Mars 2008:•non-conformité de nettoyage final repris chez l’industriel.•Procédure automatique appliquée et conditionnement des 2 coupleurs.•Contact RF (condensateur élastique) endommagé pendant les tests sweeps {contact problématique non retenu}.



Relevé des courbes de montée en puissance lors du Conditionnement RF



Diagnostics de Conditionnement RF des prototypes XFEL



Relevé des courbes de montée en puissance lors du Conditionnement RF



Propositions retenues/rejetées du Marché de Définition {antenne creuse inox-cuivre brasée}

Partie froide: l’antenne de la conception d’origine TTF-3 est usinée dans du cuivre OFHC massif.

Cette solution est retenue pour les coupleurs XFEL de série avec un mode de production exempt de cycles de température > 250°C.

Partie froide: la proposition Toshiba contient une antenne creuse en acier inox avec dépôt de cuivre et brasure aux extrémités d’embouts Cu OFHC.

Le cycle thermique de brasure est rejeté (dégradation du dépôt TiN) et l’antenne creuse est incompatible avec les opérations de nettoyage, rinçage, étuvage et pompage vide.



Propositions retenues/rejetées du Marché de Définition {boîtier guide d’ondes}

Boîtier guide d’ondes: la conception d’origine TTF-3 est un assemblage brasé de pièces cuivre, laiton et acier inoxydable. La membrane Cu donne la flexibilité pour le contact RF.

Boîtier guide d’ondes: Usinage sur CN d’un bloc massif d’aluminium exempt de soudures et brasures. Variante possible pour la production de série si le contact RF ne nécessite pas de flexibilité.



Propositions retenues/rejetées du Marché de Définition {support moteur, connecteur et fin de course}

Conception prototypes non retenue Conception LAL en cours d’optimisation approuvée et retenue pour la série



Propositions retenues/rejetées du Marché de Définition {contact RF}

•Condensateur avec contacts RF élastiques, solution prototype non retenue par manque de temps en R&D.•Ce composant est sur le chemin critique puisque le projet n’a toujours pas de solution appropriée à quelques mois de l’appel d’offre. Des variantes seront demandées aux industriels (joints RF, anneaux fins en alliage Cu ou Al…).



Propositions retenues/rejetées du Marché de Définition {mise en forme, usinages, joints soudés}

Conducteur usiné dans un bloc massif d’inox;Coût élevé non optimisé

Piquage usiné et soudure en selle à cheval avec maitrise difficile; non recommandée.

Assemblage final brasé non retenu à cause de la dégradation des propriétés antipactor du TiN

Assemblage final soudé (FE ou TIG) retenu

Conducteur usiné après formage à froid de tube inox; recommandée.

Perçage et bords refoulés usinés. Soudure circulaire et surface RF lisse.


Contrats Industriels Afin de garantir la sécurité d’approvisionnement, la stratégie est de

retenir deux industriels pour fournir la moitié des coupleurs chacun (2x4 coupleurs/semaine sur deux ans).

En cas de groupement solidaire (consortium) entre deux industriels, un contrat unique est possible pour la totalité de la fourniture.

Le marché de fourniture couvre la production et la livraison au LAL des coupleurs. Toutes les opérations qui suivent (conditionnement HF, préparation et transfert à l’IRFU) sont conduites par le LAL.


Stratégie du marché de série et Orientations Retenues



Stratégie du marché de série et Orientations Retenues

Spécifications Techniques La conception des coupleurs XFEL faite au LAL est basée sur les

coupleurs TTF-3 de DESY. Elle inclut les améliorations issues des cryomodules FLASH et des prototypes de définition.

L’étude d’industrialisation menée par le LAL a permis de simplifier plusieurs opérations de fabrication et d’assemblage en vue de la réduction du coût pour la série.

Les industriels sont invités à proposer dans leur offre des variantes aux spécifications techniques de base. En particulier, leur savoir faire en fabrication, dépôt de couches minces et assemblage final.



Séquences de Fabrication

Spécification Matière et Approvisionnement

Mise en forme, usinages, soudages,

brazagesDégraissage, Nettoyage

Fenêtres Céramique + TiN

Soudage sous-ensembles

Contrôle Qualité, Test He et mesures géométriques

Nettoyage final, étuvage comptage des particules

Assemblage final parties chaude, froide et cavité

Emballage, transport LAL

CP sous vide, WP sous N2

Moteur pas à pas

Boîtier Guide d’onde

Mécanisme d’ajustement de l’antenne

Partie chaude (77K-300K)

Partie froide (2K-77K)Ecran Thermique 77K

et 4K

Bride sur vide isolation

Support des coupleurs sur cryo module



Schéma d’Implantation au LAL de la Station RF XFEL (E.Genesseau)

Caractéristiques:. Puissance HF Klystron 5 MW,

. Conditionnement HF en // 4x2 coupleurs max,

. Flux nominal, 8 coupleurs/semaine

Salles Blanches:. Class 10.000 (ISO 7) 115m2,

. Class 100 (ISO 5) 27 m2,

. Class 100 (ISO 5) 9m2 (zone étuvage in situ)

4 étuves sous vide

Zone de stockage:. Buffer avant conditionnement HF ~32 paires

. Buffer prêt pour transport à l’IRFU ~32 paires



Transport des coupleurs et accessoires / Industriel ↔ LAL ↔ IRFU

Industrial site A

LAL-OrsayRF-Station

XFEL-DESYAMTF

Transfer of Responsibility from Industry to LAL:Engineering Acceptance Criteria (Follow up & Quality Control Dossier)RF Performance Criteria (1.3GHz Tuning, Conditioning, Long Term Tests)

Industrial site B

IRFU-SaclayModules Assembly

Tran

sfer

from

IRFU

to D

ESY

One

mod

ule

per w

eek

Transfer from Industry to LAL/ 2x2 pairs of couplers kits per week

Final Acceptance• Vacuum leak tests,• Baking, RGA spectrum• RF conditioning, long term tests• Disassembly (WG box & Warm part

(cold part connected to cavity)

Storage Buffering (under study):• 32? pairs of couplers with cavities & chassis (before/after RF processing)

Transfer from LAL to Industry/ 2x2cavities + chassis per weekFrom LAL to IRFU:

Warm & cold parts + cavities, 4 pairs/week

Quality Control Dossier

From IRFU to LAL:

Cavities & boxes, 4 units/week

Transfer of Responsibility from LAL to IRFU:Partial Disassembly, Packing & Transport (PV + Quality Control Dossier)Reception Criteria (Visual Inspection, Digital Pictures, complete set)

•Management & Quality Control Plan•Follow up @ production site, LAL inspector•Qualified operators & operations•Full traceability, XFEL-EDMS database•Statistic inspection & audits•Quality/control tests & reports•Engineering documents (prod dwg,…)•In situ backing, RGA, Frequency tuning & RF processing at LAL



Planning 2009-2012

Item Resources

Rédaction du CCTP et des documents associés {Nomenclature + dossier de plans, Spécifications de Controle/Qualité, conditionnement HF}

Equipe Technique

Rédaction du CCAP et des documents administratifs relatifs au marché LAL & DDA du CNRS

Traduction françaisanglais des documents du marché Externe

PRR {Revue de lancement de l’appel d’offre} ET & groupe de revue

Lancement de l’appel d’offre/ Reception des offres techniques-commerciales DDA du CNRS

Analyse des offres, consultation et audit des candidats, selection des deux firmes A & B (ou du consortium)

Commission du marché

Revue de contrat avec le partenaire XFEL-DESY ET & groupe de revue

Derniers examens administratifs et fiscaux, notification des contrats DDA du CNRS

Réception/Analyse du dossier de management & de production des firmes (organigramme, plan qualité, LOFC, planning de fabrication et de livraison...)

Contractants A & BEquipe Technique.

Spécification & Appro matière, outil industriel (salle blanches, postes de soudage, de brasage, dépôts Cu et TiN, nettoyage, étuvage, pompage UHV}

Contractants A & B

Production présérie de 2x12 unités {amélioration de l’outil industriel, inspection par le représentant LAL} livraison par paire & dossier qualité

Contractants A & B,{représentant LAL}

Montée progressive de la production, ~2x3x8 coupleurs {8/ mois/ contractant} Approbation de l’outil industriel et de l’inspection + recette technique

Contractants A & B,{représentant LAL}

Livraison régulière de 2x16 coupleurs par mois. Conditionnement HF au LAL et préparation livraison à l’IRFU de 2x4 coupleurs par semaine

Equipe Technique LAL

Revue de projet IN2P3 (06/Juillet)

2009

Notification marché Mars

Préséries {2x12 unités}

2010

PRR (Novembre)

CCTP/CCAP (Avril/Nov)

Appel d’offre (Dec)

Fin Préséries

20112012

Montée progressive

Régime nominal 2x4 unités par semaine



Commissioning TTF-3 sur le cryomodule proto PXFEL1 {D.Kostin/ sept 2009}



Partenariat LAL/DESY

Aux collègues LAL J.Bastide, S.Cavalier, T.Chabaud, E.Genesseau, A.Gallas, A.Gonnin, E.Herry, W.Kaabi, M.Lacroix, L.Leloup, P.Lepercq, L.Lukovac, B.Mazoyer, B.Mercier, C.Prévost, Y.Peinaud, A.Thiebault & H.Jenhani (qui a récemment intégré l’IRFU).

L.Grandsire & C.Juffroy au siège de l’IN2P3

C.Engling, S.Eucker, F.Hoffmann, D. Kostin, A.Matheisen, W-D. Möller & R.Wichmann du laboratoire DESY à Hambourg.

Merci de votre attention

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