Compensating microphonics in SRF cavities to ensure beam stability for future free-electron-lasers

Laser-initiierte Freie Elektronen Laser (FEL) und Energy Recovery Linearbeschleuniger (ERL) erfordern höchste Stabilität der beschleunigten Elektronenpakete. Die zeitliche Streuung der Elektronenpakete und die mittlere Energieabweichung in den Undulatoren sollten in der Grössenordnung von Femtosekunden bzw. im Promille Bereich liegen. Das erfordert eine Regelung der Hochfrequenz (HF) Beschleunigungsfelder in den supraleitenden Hohlraumresonatoren bis zu 0.02° Phasen- und 1e-4 Amplitudengenauigkeit. Die TESLA Resonatoren des 2.3 GeV Linearbeschleunigers des geplanten BESSY-FEL sollen im Dauerstrichbetrieb bei geringer Strahllast betrieben werden. Die HF Resonanzbreite ist folglich sehr schmalbandig und liegt im Bereich von 10 Hertz. Um die erreichbare Feldstabilität zu erfassen, wurden die Resonatoren einem umfangreichen Messprogramm in der HoBiCaT Testanlage unterzogen. Eine Charakterisierung der vollständigen Resonatoreinheit hinsichtlich der mechanischen Verstimmung durch Mikrophonie, statische -und dynamische Lorentzkraftverstimmung, ihrer mechanischen Eigenschaften und HF-System Rauschen erbrachte wichtige Daten, um die zu erwartende Feld -und somit Strahlstabilität im Linac zu simulieren. Die gemessene Mikrophonie betrug 1-5 Hz rms, ist somit eine dominante Fehlergröße und wirkt sich limitierend auf die Strahlstabilität im Linac aus. Um sie zu minimieren, wurden aktive Dämpfungsmethoden entwickelt. Dazu wurden unterschiedliche mechanische Abstimmungssysteme mit integrierten Piezoelementen getestet. Ein adaptiver, vorauskompensierender Regelungsalgorithmus wurde entwickelt, welcher die gemessene Transferfunktion der Abstimmvorrichtung beinhaltet. Damit wurde eine Kompensierung der Mikrophonie um einem Faktor von zwei bis sieben erreicht. Die Einbeziehung dieser Regelung in die Linacsimulationen zeigte, dass diese einen wichtigen Beitrag zur Erreichbarkeit der benötigten Strahlstabilität für zukünftige FELs und ERLs darstellt.In seeded High-Gain-Harmonic-Generation free electron lasers or energy recovery linear accelerators the requirements for the bunch-to-bunch timing and energy jitter of the beam are in the femtosecond and per mill regime. This implies the ability to control the cavity radio-frequency (RF) field to an accuracy of 0.02° in phase and up to 1e-4 in amplitude. For the planned BESSY-FEL it is envisaged to operate 144 superconducting 1.3 GHz cavities of the 2.3 GeV driver linac in continuous wave mode and at a low beam current. The cavity resonance comprises a very narrow bandwidth of the order of tens of Hertz. Such cavities have been characterized under accelerator like conditions in the HoBiCaT test facility. It was possible to measure the error sources affecting the field stability in continuous wave (CW) operation. Microphonics, the main error source for a mechanical detuning of the cavities, lead to an average fluctuation of the cavity resonance of 1-5 Hz rms. Furthermore, the static and dynamic Lorentz force detuning and the helium pressure dependance of the cavity resonance have been measured. Single cavity RF control and linac bunch-to-bunch longitudinal phase space modeling containing the measured properties showed, that it is advisable to find means to minimize the microphonics detuning by mechanical tuning. Thus, several fast tuning systems have been tested for CW operation. These tuners consist of a motor driven lever for slow and coarse tuning and a piezo that is integrated into the tuner support for fast and fine tuning. Regarding the analysis of the detuning spectrum an adaptive feedforward method based on the least-mean-square filter algorithm has been developed for fast cavity tuning. A detuning compensation between a factor of two and up to a factor of seven has been achieved. Modeling the complete system including the fast tuning scheme, showed that the requirements of the BESSY-FEL are attainable