in2p3 les deux infinis
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Journées Accélérateurs de la SFP (Roscoff du 12 au 14 Octobre 2009). IN2P3 Les deux infinis. Aboud Falou (LAL-Orsay). Coupleurs de puissance 1.3GHz de la R&D à la Production en Série Participation du LAL au Linac XFEL à DESY. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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
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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
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Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série
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-
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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)
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
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Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série
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
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Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série
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 ?
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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)
Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série
Expérience acquise au LAL sur TTF-3
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Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série
Expérience acquise au LAL sur TTF-3
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
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Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série
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)
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Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série
Optimisation du temps de conditionnement HF sur TTF-3 (H.Jenhani)
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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.
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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}.
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Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série
Relevé des courbes de montée en puissance lors du Conditionnement RF
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Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série
Diagnostics de Conditionnement RF des prototypes XFEL
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Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série
Relevé des courbes de montée en puissance lors du Conditionnement RF
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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.
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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.
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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
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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…).
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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
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.
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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.
Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série
Stratégie du marché de série et Orientations Retenues
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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.
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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
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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
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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
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Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série
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
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Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série
Commissioning TTF-3 sur le cryomodule proto PXFEL1 {D.Kostin/ sept 2009}
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Coupleurs HF XFEL/ de la R&D à la Production en Série
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