Development of Stripline Kickers for Low Emittance Rings: Application to the Beam Extraction Kicker for CLIC Damping Rings

El descubrimiento del bosón de Higgs ha iniciado una nueva era en el LHC cuyo objetivo será medir las propiedades de dicho bosón con la mayor precisión posible. Sin embargo, dada la complejidad de los protones, compuestos por quarks y gluones, existe el consenso en la Física de Altas Energías de que el próximo colisionador será un colisionador electrón-positrón. Desde un punto de vista simplista, para que electrones y positrones colisionen a muy altas energías en un colisionador circular, la energía perdida por radiación sincrotrón debe reponerse mediante estructuras aceleradoras de radiofrecuencia. Una alternativa para evitar este problema, es construir un colisionador lineal donde dos aceleradores lineales (linacs) opuestos aceleran las partículas hasta alcanzar su energía final en un solo paso antes de hacerlas colisionar en un punto de interacción central. Dos colisionadores lineales de electrones y positrones han sido propuestos: ILC (International Linear Collider) en el rango de energías de 1 TeV, y CLIC (Compact Linear Collider) en el rango de energías de 10 TeV. ILC ha sido diseñado para operar a una energía de 0.5 TeV y con una luminosidad de 2×1034cm−2s−1, utilizando cavidades aceleradoras superconductoras con un gradiente de aceleración de 31.5 MV/m. En cambio, CLIC está siendo diseñado para tener una energía de 3 TeV, y una luminosidad máxima de 1035cm−2s−1, con un gradiente de aceleración de 100 MV/m. Para alcanzar dichas luminosidades se necesitan anillos de amortiguamiento (Damping Rings, DRs) que reduzcan la emitancia de los haces creados por las fuentes de electrones y positrones varios órdenes de magnitud, produciendo además haces muy estables. El diseño de los DRs es diferente en el caso de ILC y CLIC. En CLIC, el tren de paquetes de partículas es relativamente corto con muy poco espacio entre paquetes y una alta frecuencia de repetición, mientras que el tren de paquetes de ILC es más largo, lo que hace que los DRs deban tener un radio mayor. Además, la alta luminosidad necesaria en ILC se consigue aumentando la carga del paquete de partículas, mientras que en CLIC se consigue reduciendo la emitancia del haz hasta valores sin precedentes, especialmente en el plano vertical: 5 nm en el caso de CLIC a una energía de 2.86 GeV, mientras que para ILC es 20 nm a una energía de 5 GeV. Esta emitancia vertical en CLIC se podría conseguir mediante dos pre-damping rings (PDRs) y dos DRs. Para transferir el haz de un anillo a otro, así como desde la fuente de electrones y positrones a los PDRs y desde los DRs a los linacs, se necesita un sistema de inyección y un sistema de extracción del haz en cada uno de los cuatro anillos. Estos sistemas de inyección o extracción (kickers) deben inyectar o extraer el haz de manera muy estable y afectar mínimamente al haz que circula. Estudios anteriores de los kickers de inyección y extracción para el desarrollo del ILC y del CLIC Test Facility 3 (CTF3), demostraron que el kicker electromagnético, conocido como stripline kicker, es el más adecuado para este tipo de operación. Este proyecto de tesis doctoral tiene como objetivo el desarrollo de la metodología necesaria para diseñar stripline kickers para aceleradores circulares de baja emitancia. En particular esta tesis se basa en el diseño, construcción y tests de laboratorio del stripline kicker para la extracción de haz de los DRs de CLIC, pero los estudios realizados pueden extenderse a los DRs de ILC o a cualquier otro anillo de baja emitancia. La primera parte de este trabajo de investigación se centra en el estudio y diseño del stripline kicker, consistente en dos electrodos dentro de un tubo cilíndrico de vacío. Con el fin de conseguir las especificaciones requeridas, para el diseño de este prototipo la autora propone un nuevo enfoque que no había sido utilizado hasta ahora en el estudio de Futuros Colisionadores Lineales (FLCs). Éste consiste en el estudio de los dos modos de operación que presentan dos líneas de transmisión acopladas, como es el caso del stripline kicker, analizando cómo varían diferentes parámetros en ambos modos de operación con la geometría de los electrodos, para las dos geometrías más ampliamentes usadas, electrodos planos y electrodos curvos. Estos primeros estudios se han realizado analíticamente y numéricamente usando el código de simulación de campos electromagnéticos en el dominio de la frecuencia HFSS. Estos estudios han sido: impedancia característica de las líneas de transmisión acopladas y homogeneidad del campo electromagnético. De este estudio se concluyó que sólo con los electrodos planos se cumplen las especificaciones de homogeneidad de campo, mientras que la adaptación de impedancias en ambos modos de operación no fueron del todo óptimas. Por este motivo, la autora ha propuesto una nueva geometría, llamada media luna, con la que se mejoró la adaptación de impedancias. Estas dos geometrías, electrodos planos y electrodos media luna, se estudiaron más en profundidad y se confrontaron los resultados para elegir la geometría más óptima. Los estudios realizados fueron los siguientes: la aparición de arcos eléctricos (rigidez dieléctrica) entre los electrodos y el tubo de vacío, la transmisión de potencia a través de los electrodos y la impedancia longitudinal y transversal que ve el haz de partículas al pasar a través del stripline kicker. Estos últimos estudios se realizaron con el programa de simulación de campos electromagnéticos en el dominio del tiempo CST, que permite simular el paso de un haz a través de una estructura. Al final de este estudio, se eligieron los electrodos media luna como la geometría más óptima para el kicker de extracción del haz de los DRs de CLIC. La segunda parte de este trabajo de tesis consiste en el estudio del resto de componentes, aparte de los electrodos y la cámara de vacío, que conforman un stripline kicker: los soportes de los electrodos y los pasamuros, así como los materiales y el estudio de las tolerancias. Los soportes convencionales no se han utilizado, y un nuevo diseño, consistente en cuatro anillos cerámicos, ha sido propuesto. Estos soportes permiten el ensamblaje de los electrodos fuera de la cámara de vacío, lo que asegura su paralelismo y posición angular antes de introducirlos en la cámara: ésta es la única manera de garantizar la uniformidad de campo. Además, debido al poco espacio entre los electrodos y la cámara de vacío los soportes convencionales no hubiesen podido utilizarse. El programa de simulación CST se ha utilizado para estudiar cómo estos anillos cerámicos, así como los pasamuros comerciales escogidos, afectan a la transmisión de potencia y a la impedancia de acoplamiento del haz. La tercera parte de la tesis comprende las medidas en laboratorio que han permitido corroborar los estudios analíticos y numéricos realizados previamente a bajas frecuencias. Las medidas realizadas han sido: parámetros de reflexión, impedancia longitudinal del haz, impedancia transversal del haz y fenómenos de arcos eléctricos para alto voltaje. Los resultados para los parámetros de reflexión y para la impedancia longitudinal del haz están de acuerdo con las simulaciones realizadas en la fase del diseño, mientras que para la impedancia transversal, sobre todo en el caso vertical, se necesitarán más estudios. Por otro lado, la aparición de arcos eléctricos a voltajes de unos ±10 kV en DC, hace que sean necesarias medidas con voltajes pulsados para garantizar la correcta operación del kicker una vez instalado en un acelerador. Gracias al profundo conocimiento adquirido durante todo este trabajo, también se presentan diferentes propuestas para kickers de nueva generación. Para finalizar la caracterización de este primer prototipo, en el futuro se realizarán medidas con haz en un acelerador, que ayudarán a estudiar la impedancia longitudinal y transversal del haz, tanto a bajas como a altas frecuencias. La construcción de sistemas de inyección y extracción más estables y con baja impedancia de haz, permitirá que haces de muy baja emitancia sean inyectados en los FLCs, aumentando así la probabilidad de colisión en el punto de interacción. Además, todos estos desarrollos serán de gran utilidad en otros aceleradores como por ejemplo futuras fuentes de luz sincrotrón y los Futuros Colisionadores Circulares (FCCs)

The structural and electronic properties of nanostructured Ce1–x–yZrxTbyO2 ternary oxides: Unusual concentration of Tb3+ and metal_oxygen_metal interactions

10 pages, 12 figures, 1 table.Ceria-based ternary oxides are widely used in many areas of chemistry, physics, and materials science. Synchrotron-based time-resolved x-ray diffraction, x-ray absorption near-edge spectroscopy (XANES), Raman spectroscopy, and density-functional calculations were used to study the structural and electronic properties of Ce–Zr–Tb oxide nanoparticles. The nanoparticles were synthesized following a novel microemulsion method and had sizes in the range of 4–7 nm. The Ce1–x–yZrxTbyO2 ternary systems exhibit a complex behavior that cannot be predicted as a simple extrapolation of the properties of Ce1–xZrxO2, Ce1–xTbxO2, or the individual oxides (CeO2, ZrO2, and TbO2). The doping of ceria with Zr and Tb induces a decrease in the unit cell, but there are large positive deviations with respect to the cell parameters predicted by Vegard's rule for ideal solid solutions. The presence of Zr and Tb generates strain in the ceria lattice through the creation of crystal imperfections and O vacancies. The O K-edge and Tb LIII-edge XANES spectra for the Ce1–x–yZrxTbyO2 nanoparticles point to the existence of distinctive electronic properties. In Ce1–x–yZrxTbyO2 there is an unexpected high concentration of Tb3+, which is not seen in TbO2 or Ce1–xTbxO2 and enhances the chemical reactivity of the ternary oxide. Tb_O_Zr interactions produce a stabilization of the Tb(4f,5d) states that is responsible for the high concentration of Tb3+ cations. The behavior of Ce1–x–yZrxTbyO2 illustrates how important can be metal_oxygen_metal interactions for determining the structural, electronic, and chemical properties of a ternary oxide.The research carried out at the Chemistry Department of Brookhaven National Laboratory was financed through Contract No. DE-AC02-98CH10886 with the US Department of Energy (Division of Chemical Sciences). The NSLS is supported by the Divisions of Materials and Chemical Sciences of DOE. Work at the “Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC)” was done with financial support from CICYT (Project No. MAT2000-1467).Peer reviewe

Transient Studies of the Stripline Kicker for Beam Extraction from CLIC Damping Rings

Stripline kickers are generally assumed to have equal contributions from the electric and magnetic field to the total deflection angle, for ultra-relativistic beams. Hence parameters of the striplines, such as the characteristic impedance, the field homogeneity and the deflection angle are typically determined by simulating the striplines from an electrostatic perspective. However recent studies show that, when exciting the striplines with a trapezoidal current pulse, the magnetic field changes during the flat-top of the pulse, and this can have a significant effect upon the striplines performances. The transient solver of Opera2D has been used to study the magnetic field, for the striplines to be used for beam extraction from the CLIC Damping Rings (DRs), when exciting the electrodes with a pulse of 1 us flat-top and 100 ns rise and fall times. The time dependence of the characteristic impedance, field homogeneity and deflection angle are presented in this paper. In addition, two solutions are proposed to improve the flatness of the magnitude of the magnetic field throughout the flat-top of the pulse, and the predicted results are reported

Review on the Effects of Characteristic Impedance Mismatching in a Stripline Kicker

A stripline kicker operates as two coupled transmission lines, with two TEM operating modes, known as odd and even modes. The characteristic impedance of these two modes is generally different, both only tend to the same value either when the electrodes are widely separated or when the electrodes are very close to the beam pipe wall. In all other cases, the even mode characteristic impedance is always higher than the odd mode characteristic impedance. The specifications required for a kicker operating in a low emittance ring are usually very challenging. In this situation it is desirable to match the even mode characteristic impedance of the striplines to the resistance of their termination. However a mismatched odd mode impedance can significantly influence the striplines performance. This paper presents predictions for the influence of the odd mode characteristic impedance upon the contribution of each field component, electric and magnetic, to the deflection angle. In addition, the variation of the characteristic impedance and field homogeneity with frequency are presented

Silica-alumina/sepiolite nanoarchitectures

Novel silica-alumina/sepiolite nanoarchitectures have been prepared by an original approach based on sol-gel procedures. A commercial organo-sepiolite is used as a starting material whose organocations are provided by alkylchains that contribute to the controlled hydrolysis and polycondensation of silicon and aluminium alkoxides mixtures added to a non-aqueous suspension of that sepiolite. This procedure yields the coagulation of the alkoxides- organosepiolite suspension, resulting in the formation of a homogenous gel. After thermal treatment of the dried system, the organic matter is removed and the silica-alumina network consolidated. The characterization of the resulting materials reveals the formation of silica-alumina nanoparticles that remain anchored to the surface of sepiolite fibers through the silanol groups of the core silicate. These novel nanoarchitectures show specific surface areas in the range of 250-300 m2 g-1. The porosity of the resulting materials can be controlled depending on the nature of the oxide network generated. Thus, high silica contents generated microporous systems, whereas the incorporation of alumina enhances the mesoporous formation. The incorporation of a silica-alumina network on the surface sepiolite also permits the tuning of its surface acidity, typical values increasing from 0.1 to 1.4 mmol of acid sites per gram, according to the aluminium content. The acid-base properties of the new nanoarchitectures were evaluated as acid catalysts from the 2-propanol dehydration test. The catalytic behaviour is discussed in terms of the acidic properties of the involved solids. This journal is © The Royal Society of Chemistry 2013.The authors acknowledge the financial support from CICYT (Spain; MAT2009-09960 and MAT2012-31759 projects). C.B. is indebted to MICINN for a Ramón y Cajal contract.Peer Reviewe

Zeolite-sepiolite nanoheterostructures

Zeolite–sepiolite inorganic nanoheterostructures have been hydrothermally synthesized by adding a dispersion of colloidal sepiolite to a solution able to produce a nanocrystalline zeolite (silicalite). The obtained product could be recovered in good yield by simple filtration only when the relative sepiolite concentration exceeded a threshold of 1.8 wt% in the synthesis mixture (amounting to 1:3 sepiolite:zeolite wt. ratio in the recovered product). The resulting heterostructures were characterized by XRD, FTIR, thermal (TG–DTA) and chemical analyses, N2 adsorption, TEM, SEM, 29Si NMR, and methylene blue adsorption. The intimate zeolite–sepiolite interaction at the surface produced a good dispersion of zeolite particles and prevented their sintering upon calcination to remove the organic structure-directing agent. Experiments in conditions yielding microcrystalline silicalite support the idea that the sepiolite surface acts as nucleation sites for the zeolite crystallization. The textural properties of the nanozeolite–sepiolite heterostructure are not a linear combination of their components’.Financial support from the Spanish CICYT, MAT2012-31759, is acknowledged. C. Belver acknowledges MINECO for a "Ramon y Cajal" contract

Chromium-saponite clay catalysts: Preparation, characterization and catalytic performance in propene oxidation

Chromium-saponite catalysts have been prepared by two synthesis procedures. The first method consisted in the intercalation of the saponite with solutions containing aluminium and chromium oligomers with various molar ratios, while the second one consisted in the incipient wetness impregnation of alumina-pillared saponite with several chromium salts, ammonium chromate, Cr(II) acetate and Cr(III) nitrate. Several techniques, X-ray diffraction, nitrogen physisorption at -196 °C, thermogravimetric and differential thermal analysis, infrared and DR-UV-vis spectroscopies, temperature-programmed reduction and electron paramagnetic resonance spectroscopy at -196 °C, have been used to characterize and to compare the properties of the materials synthesized. The results show that the solids obtained combine the layered structure of the clay and the thermal stability given by the alumina pillars. The catalysts have been tested in the oxidation of propene, showing a catalytic behaviour according to the Mars-van Krevelen mechanism, the performance not depending on the method in which chromium was incorporated to the clay. © 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.Peer Reviewe

Photocatalytic behavior of silver vanadates: Microemulsion synthesis and post-reaction characterization

Silver vanadates with light absorption properties in the visible region were successfully prepared by a low temperature pathway (not exceeding 110 °C) using an optimized microemulsion methodology. The resulting materials were evaluated as photocatalysts in Rhodamine B photodegradation and characterized before and after reaction. The silver vanadates displayed silver metallic nanoparticles decorating the surface. The as-prepared Ag3VO4 catalyst was the most active. Nevertheless, this silver vanadate suffered important changes during reaction. The initial structure evolves yielding a silver pyrovanadate, Ag4V2O7, with a concomitant increase of the number and size of the silver metallic nanoparticles. The synergy between these Ag0 particles and the photoactivity of the Ag4V2O7 phase seems responsible of the high photoactivity of this material.The authors thank the funding from MICINN Project CTQ2010-14872/BQU. C.B. and C.A. are indebted to the MICINN for their respective Ramón y Cajal and Juan de la Cierva postdoctoral contracts.Peer Reviewe

Transverse Impedance Measurements and DC Breakdown Tests on the First Stripline Kicker Prototype for the CLIC Damping Rings

A first stripline kicker prototype for beam extraction from the CLIC Damping Rings (DRs) has been designed at IFIC and CIEMAT, with excellent field homogeneity, good power transmission and low beam coupling impedance. The prototype has been built by the company Trinos Va\-cuum Projects, and laboratory tests and measurements have been carried out at CERN to characterize, without beam, the electromagnetic response of the striplines. In this paper, we present the measurements of the transverse beam coupling impedance, using the coaxial wire method, and a comparison with simulations. Furthermore, results of DC breakdown tests, using High Vol\-ta\-ge (HV) power supplies, are also reported