IN2P3 Les deux infinis

1. Journées Accélérateurs de la SFP (Roscoff du 12 au 14 Octobre 2009) IN2P3 Les deux infinis Aboud Falou (LAL-Orsay) Coupleurs de puissance 1.3GHzde la R&D à la Production en SérieParticipation du LAL au Linac XFEL à DESY

2. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série SOMMAIRE • 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

3. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série Composants fonctionnels du Coupleur XFEL (M.Lacroix) Céramique Chaude Pick-up e- Moteur Condensateur Port de Pompage Céramique Froide Soufflet Froid 298K Antenne HF Soufflet Chaud Cavité Supraconductrice Transition Chaude 77K Partie Chaude 4K 1.8K Faisceau d’électrons Partie Froide +/-10mm

4. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série 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 • 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)

5. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série Interfaces avec le réseau guides d’ondes et les cryomodules 1.1 1.2 3.2 3.3 28.5 28.1 3.4 34.1 28.2 3.1 8.1

6. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série 9.1 3.5 28.3 9.1 28.4 ? 8.2 34.1 Interfaces avec les cavités supra, la ligne de pompage vide et le système de contrôle

7. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série Expérience acquise au LAL sur TTF-3 • 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)

8. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série Expérience acquise au LAL sur TTF-3 Inspection visuelle par endoscope des surfaces HF sur la partie chaude d’un coupleur TTF-3 Comptage de particules sur les parties froides des coupleurs TTF-3

9. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série Expérience acquise au LAL sur TTF-3 (H.Jenhani) Dépendance du temps de conditionnement et de l’étuvage in situ (durée de l’étuvage sous vide 72 heures à 150°C) Banc de conditionnement RF à T°C ambiante des coupleurs TTF-3 (station R&D au LAL)

10. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série Optimisation du temps de conditionnement HF sur TTF-3 (H.Jenhani)

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

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

13. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série Relevé des courbes de montée en puissance lors du Conditionnement RF

14. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série Diagnostics de Conditionnement RF des prototypes XFEL

15. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série Relevé des courbes de montée en puissance lors du Conditionnement RF

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

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

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

19. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en 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…).

20. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série 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 Conducteur usiné après formage à froid de tube inox; recommandée. Perçage et bords refoulés usinés. Soudure circulaire et surface RF lisse. 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

21. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série Stratégie du marché de série et Orientations Retenues • 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.

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

23. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série Séquences de Fabrication Moteur pas à pas Spécification Matière et Approvisionnement Mise en forme, usinages, soudages, brazages Boîtier Guide d’onde Support des coupleurs sur cryo module Dégraissage, Nettoyage Mécanisme d’ajustement de l’antenne Fenêtres Céramique + TiN Soudage sous-ensembles Bride sur vide isolation Contrôle Qualité, Test He et mesures géométriques Partie chaude (77K-300K) Nettoyage final, étuvage comptage des particules Assemblage final parties chaude, froide et cavité Ecran Thermique 77K et 4K Partie froide (2K-77K) Emballage, transport LAL CP sous vide, WP sous N2

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

25. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série Transport des coupleurs et accessoires / Industriel ↔ LAL ↔ IRFU 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) Transfer of Responsibility from LAL to IRFU: Partial Disassembly, Packing & Transport (PV + Quality Control Dossier) Reception Criteria (Visual Inspection, Digital Pictures, complete set) Transfer from Industry to LAL/ 2x2 pairs of couplers kits per week IRFU-Saclay Modules Assembly Transfer from LAL to Industry/ 2x2cavities + chassis per week Industrial site A From LAL to IRFU: Warm & cold parts + cavities, 4 pairs/week Quality Control Dossier From IRFU to LAL: Cavities & boxes, 4 units/week • 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 Transfer from IRFU to DESY One module per week LAL-Orsay RF-Station • 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) XFEL-DESY AMTF Industrial site B

26. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série Planning 2009-2012 CCTP/CCAP (Avril/Nov) Revue de projet IN2P3 (06/Juillet) 2009 PRR (Novembre) Appel d’offre (Dec) Notification marché Mars 2010 Préséries {2x12 unités} Fin Préséries 2011 Montée progressive Régime nominal 2x4 unités par semaine 2012

27. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série Commissioning TTF-3 sur le cryomodule proto PXFEL1 {D.Kostin/ sept 2009}

28. Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série Merci de votre attention 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.