XFEL Vakuum: MVS Aufgaben

XFEL Vakuum: MVS Aufgaben
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Allgemeine Aufgaben von MVS beim XFEL Projekt
Inhalt Allgemeine Aufgaben von MVS beim XFEL Projekt Anforderungen an das Strahlvakuum kalte Vakuumsysteme: Supraleitender Linearbeschleuniger warme Vakuumsysteme: Injektor Undulatorstrecke (TW) Heute nicht: Bunch-Kompressoren I und II Kollimatorstrecke und Strahlverteilung Transportstrahlführungen Strahldumps MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

17.5 GeV (max. 22 GeV) supraleitender Linearbeschleuniger
Einführung 17.5 GeV (max. 22 GeV) supraleitender Linearbeschleuniger  Technologie – supraleitende Nb Resonatoren bis zu 250 m lange Undulatoren  SASE (Self-Amplified Spontaneous Emission) Eacc = 25 MV/m MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

FLASH  Pilotanlage für den XFEL
Einführung FLASH  Pilotanlage für den XFEL XFEL  funktionell ähnlicher Aufbau Beschleunigertechnologie erprobt getestete Lösungen für viele Komponenten (z.T. mehr als 10 Jahre Betriebserfahrungen) für den XFEL werden z.T. aber auch neuartige Lösungen benötigt! MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Aufgaben von MVS beim XFEL
Gesamtverantwortung für die Vakuumsysteme detaillierte Vakuumauslegung der verschiedenen Beschleunigerabschnitte „Kümmerer“ für fast alle Abschnitte zum Teil Konstruktion der Vakuumkomponenten zum Teil Fertigung der Vakuumkomponenten Neuentwicklungen komplette Qualitätssicherung mechanisch, vakuumtechnisch Sauberkeit hinsichtlich Partikeln für viele Komponenten große Teile der Vormontage und des Aufbaus im Beschleuniger Betrieb Testeinrichtungen für supraleitende Resonatoren Beschleuniger enge Zusammenarbeit/Betreuung externe Partner, die Vakuumkomponenten bearbeiten andere Gruppen/Partner, die Einbauten für Vakuumsysteme (z.B. Diagnose) beistellen MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

supraleitende Resonatoren/ Cavities = kaltes Strahlvakuumsystem (2 K)
XFEL Vakuumsysteme supraleitende Resonatoren/ Cavities = kaltes Strahlvakuumsystem (2 K) warmes Strahlvakuumsystem (Zimmertemperatur) MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Anforderungen an das Strahlvakuum
Ziel: Effekte vermeiden, die zu signifikanten Strahlverlusten oder Verschlechterung der Strahlqualität führen linearer Beschleuniger = Strahlteilchen laufen nur 1x durch Beschleuniger Anforderungen an den Druck Strahlverluste durch Streuung an Restgasmolekülen  mittlerer Druck p ~ 10-7 mbar ausreichend Synchrotronstrahlung vernachlässigbar  kein Druckanstieg mit Strahl Pumpen Ionenzerstäuberpumpen 55 l/s Titanverdampferpumpen an der Gun und in Bereichen, die an die kalten Module angrenzen Zielwert für Auslegung der Vakuumsysteme: 10-8 mbar Abgasrate q = 5·10-11 mbar l/s/cm2 MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Standardbehandlung für warme Strecken
Standardbehandlung für Vakuumkomponenten in den warmen Strecken UHV-Reinigung mit Standardmethoden während/nach des Fertigungsprozesses Hochdruckreiniger, Waschmaschine, Trockner Lecksuche – Leckrate < mbar l/s Massenspektrum – Kohlenwasserstofffrei Fluten mit N2 Wo nötig: Kontrollierte Lagerung unter N2 kein Wasserstoffentgasungsglühen bei 950°C Ausnahme: Strahlrohre an den Warm-Kalt-Übergängen keine Wärmebehandlung im Ofen kein Ausheizen im Labor oder in-situ Ausheizen MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Ziel: Effekte vermeiden, die zu signifikanten Strahlverlusten oder Verschlechterung der Strahlqualität führen HF-Verluste kritisch aufgrund der sehr kurzen Bunche und damit hohen Strahlintensität HF-Abschirmungen für Flansche, Bälge, Pumpabgänge, Ventile etc. extreme Anforderungen an Oberflächen der Strahlrohre mit kleinem Durchmesser  insbesondere Undulatorvakuumkammern Rauhigkeit in Strahlrichtung: < 300 nm Dicke der Oxidschicht: < 5 nm hohe Anforderungen an Oberflächen in allen warmen Bereichen Rauhigkeit x Oxiddicke < 850 nm getaperte Lösungen >3° nicht hilfreich wegen der kurzen Bunchlänge  zum Teil sind Lösungen mit Stufen besser Entwurf für Flansche Absorber Undulatorsektion MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Ziel: vermeide Effekte, die zur Verschlechterung der Leistung der supraleitenden Resonatoren führen Betrieb von supraleitenden Resonatoren mit hohen Gradienten  Staub = Feldemitter  Zusammenbruch des Beschleunigerfeldes Keine Kohlenwasserstoffe Eintrag von Partikeln und Gas von warmen Strecken in kalte Abschnitte vermeiden (kaltes Strahlrohr = riesige Kryopumpe)  p ~ mbar in den angrenzenden warmen Abschnitten  Titanverdampfer- und Ionenzerstäuberpumpen Schnellschlussklappen an den Übergängen zu den kalten Abschnitten für „Vakuumkatastrophen“ Partikelreinigung der Vakuumkomponenten mit ähnlichen Prozeduren wie bei der Behandlung der Resonatoren alle Komponenten im supraleitenden Beschleuniger 800 Cavity-Bälge, 100 BPM, 100 supraleitende Quadrupole mit integriertem Strahlrohr, 100 HOM Absorber, diverse Rohrkomponenten an den Warm-Kaltübergängen Komponenten in angrenzenden Bereichen zum supraleitenden Beschleuniger Injektor einschließlich RF-Gun (70 m), BC1 (60 m) und BC2 (85 m), Teile der Kollimatorstrecke (~ 25 m) Staub-/Partikelfreiheit sind extrem wichtig MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Partikelreinigung von UHV-Komponenten
UHV-Reinigung Standard Prozeduren keine groben Verschmutzungen Reinraum in Halle 55 Klasse und 100 lange (bis 4,5 m) oder kompakte Kammern (2,5 x 0,6 x 0,6 m3) 2 US Bäder mit Reinigungsmittel (Klasse ) Leitwertspülung (Klasse 100) Trockner (Klasse 100) MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Partikelreinigung von UHV-Komponenten
Reinraum in Halle 55 (Klasse und 100) kleinere, kompakte Komponenten Durchreiche-Waschmaschine Montageplatz ölfreie Pumpstand, Lecksucher, Massenspektrometer Fluter Reinstwassersystem für XFEL zusätzlicher Montagereinraum notwendig Diagnose Partikelreinigung erfordert Konstruktionen, die Nassreinigung ermöglichen MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Partikel-arme (-freie) UHV-Systeme
Montage Lokale Reinräume groß und klein geeignete Kleidung gereinigte Werkzeuge Anpumpen und Fluten ölfreie (kohlenwasserstofffreie) Pumpstände korrekte Ablauflogik ist für alle Pumpstände notwendig! Vorrichtung zum geregelten langsamen Anpumpen und Fluten auch vorhandene Partikel sollen hierbei nicht bewegt werden Versuchsprogramm  in-Vakuum Partikelzähler MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Partikel-arme (freie) UHV-Systeme
“Fluter” – Erste Version Aufbau zum automatischen Anpumpen und Fluten (Eigenentwicklung MVS)  zuverlässiges, reproduzierbares und „schnelles“ Anpumpen und Fluten ohne Partikel in das Vakuumsystem zu spülen oder vorhandene Partikel zu bewegen Mass Flow Controller Loadlock Transducer Diffuser MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Supraleitender Linearbeschleuniger
3 Vakuumsysteme (ähnlich wie bei FLASH) Isoliervakuumsystem Strahlvakuumsystem (2 K) Kopplervakuumsystem (RT) MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

kaltes Strahlvakuumsystem (2 K)
intermediate piece with HOM absorber sc quadrupole magnet manual valve sc niobium cavity Cu coated bellows beam position monitor 12 m langer „Cavity-string“ 8 Resonatoren = Strahlrohr 8 verkupferte Balgeinheiten supraleitender Quadrupolmagnet (MKS bzw. Ciemat/Spanien) Strahlpositionsmonitor (BPM) (2/3 Saclay/Paris, 1/3 MDI) Handventile an beiden Enden MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Modulverbindung  Neuentwicklung Higher Order Mode (HOM) Absorber Balg für Montage und Wärmedehnung Eckventil zum Anpumpen/Fluten intermediate piece with HOM absorber sc quadrupole magnet manual valve sc niobium cavity Cu coated bellows beam position monitor MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

HERA Verbindungsboxen (alle 140 m/12 Module) Ionenzerstäuberpumpe Pumpwirkung im warmen Zustand Druckmessung “kaltes” Strahlventil öffnen/schließen bei warmen oder kaltem Strahlrohr leckdicht während Warm-/Kaltfahren fernbedienbar  Ventil für Notsituation (Vakuumeinbruch im kalten Strahlvakuumsystem; Schutz eines Großteils der Module gegen reigesetzte Gase/Partikel beim Aufwärmen)  Neuentwicklung zusammen mit VAT Tests des Prototyps nicht komplett erfolgreich Weitere Tests mit optischer Prüfung des Tellersitzes im Kryostaten MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Aufgaben für MVS (WP08) Gesamtverantwortung für die Vakuumsysteme
Vakummelektronik und –steuerung (separater Vortrag) Strahlvakuum Design und Fertigungsüberwachung Cavity Bälge (Fertigung BINP/Novosibirsk) HOM Absorber (Fertigung IPJ Swierk/Polen) Beschaffung von kalten Handventilen, Ionengetterpumpen, Eckventilen Verkupferung des Strahlrohrs des supraleitenden Quadrupols Zusammenarbeit mit Diagnosegruppe bei BPM Vakuumtechnische Prüfung aller Komponenten außer Kavitäten Partikelreinigung von Bälgen, Handschiebern, BPM, supraleitenden Quadrupolen Lieferung der fertigen Komponenten an Saclay für Cavity-String Montage Entwicklung eines kalten Strahlschiebers MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Kopplervakuumsystem (warm)
FLASH Bau, Montage und Test der Koppler in Orsay (Paris) gemeinsame Pumpleitung für jedes Modul (8 Koppler) p ~ mbar  Ionenzerstäuberpumpe (auch für Druckmessung)  Titansublimationspumpe MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Kopplervakuumsystem (warm)
optimiertes Design XFEL Aufgaben MVS - Kopplervakuum Design und Fertigungsüberwachung Koppler-Pumpleitung und Verbindungsbälge (Fertigung BINP/Novosibirsk) Beschaffung Ionenzerstäuber- und Titansublimationspumpen, Handventile, etc. Vakuumtechnische Prüfung aller Komponenten außer Koppler Partikelreinigung der Pumpleitungen, Bälge, etc. Lieferung der Komponenten an Saclay für Modul Montage MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

p < 10-3 mbar vor dem Abkühlen
Isoliervakuumsystem FLASH p < 10-3 mbar vor dem Abkühlen  Pumpstand mit Drehschieber- und Turbopumpe Aufgaben MVS - Isoliervakuum Beschaffung von Handventilen, Messröhren, etc. Modifikation der HERA Iso-Pumpstände (elektronisch und mechanisch) MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Module für den supraleitenden Beschleuniger
Reinigung und Montage des Strings Reinraum Klasse 10 Montage des Moduls außerhalb des Reinraums  komplette String- und Modulmontage in Saclay bei Paris  Transport der kompletten Module zu DESY  Kalttest der Module bei DESY  Einlagerung bei DESY nach Test bis zum Einbau Aufgaben MVS – String- und Modulmontage Beratung bei Aufbau der Infrastruktur in Saclay Beistellung von Pumpständen und Fluteinrichtungen Qualitätssicherung (Vakuumaspekte) Drucküberwachung während des Transports und Lagerung der Module FLASH MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Test der Module  AMTF = Accelerator module test facility große Halle (48x84 m2) auf dem ehemaligem DESY-Fußballplatz Testen von 900 Kavitäten (Präparation in Industrie) 120 Modulen während der Fertigung 3 Vertikalteststände mit Präparation 3 Modulteststände Aufgaben MVS – AMTF Beschaffung, Aufbau und Betrieb der Vakuumsysteme Vakuummontagen, Lecktests, Massenspektrometer während des Testbetriebs September 2009 – Anfang 2013 2 oder 3 Schicht Betrieb/1 Modultest pro Woche MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

XFEL insgesamt 101 (116) Module im Unterschied zu FLASH: aufgehängt an Tunneldecke Aufgaben MVS – Tunnelinstallation Montage der Modulverbindungen des Strahlrohrs Anpumpen/Lecktest des Strahlrohrs Anpumpen/Lecktest des Isoliervakuums Inbetriebnahme der Vakuumelektronik und –steuerung für Strahl-, Koppler und Isoliervakuumsysteme MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Zusammenfassung Zuständigkeiten kalter Linac
Einzelkomponenten Cavitäten: DESY (MPL, MHF-sl) und INFN Mailand: Fertigung und Präparation für Vertikaltest in Industrie Cavitybälge: DESY (MVS) Design, Betreuung Bau in Novosibirsk, Partikelreinigung und Vakuumtest supraleitender Quadrupol: Ciemat (Spanien) Design und Bau, DESY (MKS) Kalttest, DESY (MVS) Reinigung und Verkupferung Strahlrohr, Vakuumtests BPM: Saclay (Paris) 2/3, DESY (MDI) 1/3 Design und Bau, DESY (MVS) Partikelreinigung und Vakuumtest HOM Absorber: DESY (MVS) Design, Betreuung Bau durch Swierk (Polen), Partikelreinigung und Vakuumtest Koppler: Orsay (Paris), (unterstützt durch DESY - MHF-sl) Vorbereitung Industriefertigung, Bau, Reinigung, Test Kopplervakuumsystem: DESY (MVS) Modultank mit allen Innereien: Saclay (Paris), INFN (Mailand), DESY (MKS) MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Zusammenfassung Zuständigkeiten kalter Linac
Montage und Test Vertikaltest aller Cavitäten: DESY (AMTF) String- und Modulmontage einschließlich Kopplersystem: Saclay (Paris) Modultest (kalt): DESY (AMTF) Einlagerung bis zum Einbau in Tunnel (DESY), Drucküberwachung (MVS) MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Übersicht Aufbau Strahlquelle mit Kathodensystem kurze Diagnosesektion
Beschleunigungsstrecke warme Strahlführung mit Dump  Gesamtlänge 72 m Zusammenführung beider Injektoren MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Übersicht Planung 2 Injektoren  Redundanz
zunächst nur 1 Injektor im untersten Stock realisieren (Finanzen) Aufgaben MVS Layout, Design, Konstruktion und Fertigung Aufbau und Betrieb der Vakuumsysteme Neu: Lasertransport unter (einfachen) Vakuumbedingungen Kathodentransfersystem Partikelfrei! MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Gun Lasergetriebene RF Quelle für e- gelötetes Kupfer Cavity
Konstruktion und Fertigung bei MVS CsTe Kathode gepulster Laser p ~ mbar  Titansublimations-/Getterpumpen in einigem Abstand! Aufgaben MVS konstruktive Änderungen Fertigung der Cavities FLASH MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Kathodensystem Kathodenpreparation Bedampfen der Kathoden im UH-Vakuum
bisher Mailand Kopie im Aufbau in Halle 1 (MIN/Sven Lederer) Kathodentransportkammer Transfer von Kathoden von der Preparation zum FLASH-Linac unter Vakuum maximal 6 Stück Kathodentransfersystem Transfer von Kathoden in Gun-Cavity Fixierung in Gun-Cavity Kathoden-kammer Gun FLASH MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Kathodensystem Aufgaben MVS
TTF/FLASH Aufgaben MVS Unterstützung beim Erzeugen des Vakuums Kathodenpreparation/Halle 1 Fertigung des Kathodentransfersystems im Linac: Aufbau und Betrieb Kathodentransfersystem MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

1. Diagnosesektion warme Strahlführung Einkopplung Laser Magnete
Strahldiagnose Dump zur Inbetriebnahme der Gun optimierte Anbindung von Pumpen p ~ mbar  sehr kompakte Anordnung Aufgaben MVS  Design, Konstruktion, Modifikation, Fertigung, Aufbau und Betrieb FLASH MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Beschleunigungsstrecke
1 Standardmodul 1 x 3.9 GHz Modul (4 Cavities) Fertigung über INFN Milano Aufgaben MVS Standardmodul Fertigung und Partikelreinigung von Vakuumkomponenten 3.9 GHz Modul Modifikation, Fertigung und Partikelreinigung von Sonderkomponenten im Linac: Aufbau und Betrieb FLASH MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Layout der Strahlführungselemente noch nicht festgelegt
Warme Strahlführung Layout der Strahlführungselemente noch nicht festgelegt Magnete und Diagnoselemente Dump für Injektorinbetriebnahme und Injektorstudien neu: kurzer Bunchkompressor BC0 (6 m) Vormontage im Reinraum auf Girder Übergang zur Beschleunigungsstrecke Aufgaben MVS Layout, Konstruktion, Fertigung und Partikelreinigung Aufbau und Betrieb der Vakuumsysteme BC0: Zusammenarbeit mit BINP/Novosibirsk Design, Fertigung und Aufbau (analog zu BC1 und BC2) MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Zusammenfassung: Aufgaben von MVS beim XFEL
Gesamtverantwortung für die Vakuumsysteme detaillierte Vakuumauslegung der verschiedenen Beschleunigerabschnitte „Kümmerer“ für fast alle Abschnitte zum Teil Konstruktion der Vakuumkomponenten zum Teil Fertigung der Vakuumkomponenten Neuentwicklungen komplette Qualitätssicherung mechanisch, vakuumtechnisch Sauberkeit hinsichtlich Partikeln für viele Komponenten große Teile der Vormontage und des Aufbaus im Beschleuniger Betrieb Testeinrichtungen für supraleitende Resonatoren Beschleuniger enge Zusammenarbeit/Betreuung externe Partner, die Vakuumkomponenten bearbeiten andere Gruppen/Partner, die Einbauten für Vakuumsysteme (z.B. Diagnose) beistellen MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Aufteilung des XFEL Projekts: Vorderer Teil
XFEL WP08 Leitung Lutz Lilje Linac Aufbau - Helmut Remde / Ralph Böspflug Injektor Konstruktion - Antonio de Zubiaurre Wagner Bunchkompressoren Konstruktion - Nils Mildner Module Isoliervakuum - Helmut Remde Temporäre Beamline - Helmut Remde Kalter Schieber Konstruktion, Testbetreuung - Antonio de Zubiaurre Wagner MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Abschnitte hinter dem kalten LINAC
XFEL WP19 Leitung Lutz Lilje Vakuumsystem Aufbau - Helmut Remde / Ralph Böspflug Switch Yard Konstruktion - Uwe Naujoks / T. Wohlenberg Kollimator Konstruktion – T. Wohlenberg / Uwe Naujoks Undulatorstrecke Halterung - T. Wohlenberg / Jens Tiessen Zwischenstücke – T. Wohlenberg / Eberhard Schulz MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

Aufbau und Testbetreuung Ralph Böspflug / Helmut Remde
Andere Teilprojekte AMTF Aufbau und Testbetreuung Ralph Böspflug / Helmut Remde Abnahme zugelieferter / selbstgebauter Komponenten Reinigung und Tests Dieter Jagnow / Helmut Remde Zusammenarbeit Novosibirsk Kalte Module: Helmut Remde Bunchkompressoren: Nils Mildner Beam Distribution, Undulatoren: Torsten Wohlenberg MVS Klausur, DAMP Lutz Lilje, DESY –MVS-

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