Sistemas RF

Los sistemas de RF son un elemento esencial dentro los aceleradores lineales de última generación.

ESS será la fuente pulsada de neutrones más potente del mundo basada en un acelerador de lineal (Linac) que acelera pulsos de haz de protones de 62,5 mA de corriente alcanzando un pico de energía de 2000 MeV.

El linac ESS incluye una primera sección de conducción normal o caliente compuesta por un RFQ (Radio Frequency Quadrupole), una MEBT (línea de transporte de media energía) con tres cavidades resonantes tipo bunchers y 5 tanques que componen el DTL (Drift Tube Linac). A continuación, comienza la sección superconductora con las cavidades spoke para seguir con las cavidades de alta y media energía.

courtesy of ESS

El linac caliente estará alimentado por nueve fuentes de RF (una para el RFQ, tres para las cavidades bunchers y cinco para los cinco tanques del DTL) que operan a 352,21 MHz y tienen que proporcionar la potencia de RF requerida para un haz de protones de 62,5 mA de corriente pico, con una longitud de pulso de haz de 2,86 mseg y una frecuencia de repetición de 14 Hz.

El sistema RF puede definirse como el conjunto de componentes y subsistemas necesarios para generar y entregar la potencia de RF a las cavidades desde el enchufe de la red de eléctrica hasta el acoplador de potencia de la cavidad. La cadena completa incluye moduladores, amplificadores, sistema de distribución de RF, sistema de RF de bajo nivel, sistema de protección local y de control.

Diseño de sistemas RF

( Cortesía de ESS)

Diseño de sistemas RF

(Cortesía de ESS)

OBJETIVOS

1.

Los sistemas RF generan la potencia de RF requeridas para acelerar las partículas correctamente. 

2.

Los sistemas RF tienen que mantener la amplitud y la fase del campo de aceleración dentro de una tolerancia dada para acelerar el haz de partículas cargadas.

3.

Los sistemas RF protegen la cavidad y todos sus componentes propios de cualquier fallo.

ALCANCE

ESS Bilbao es responsable del paquete de trabajo “Sistemas RF para linac caliente”, que incluye el diseño, la creación de prototipos, el aprovisionamiento, así como la instalación y las pruebas de la puesta en marcha en ESS de las nueve fuentes de alimentación de RF para el RFQ, las 3 cavidades bunchers del MEBT y los 5 tanques del DTL.

Dado que las cavidades spoke de la parte superconductora operan a la misma frecuencia que el linac caliente, la contribución en especie de la ESS Bilbao también incluye los sistemas LLRF para estas cavidades tipo spoke (26 cavidades).

El paquete de trabajo del sistema NC RF incluye las siguientes entregas:
  • Tres moduladores (660 kVA).
  • Seis amplificadores de alta potencia: klystrons (2,9 MW).
  • Seis preamplificadores para el klystron (500 W).
  • Tres amplificadores de potencia de estado sólido (30k W; circulador y carga incluidos).
  • Seis cadenas de distribución RF (WR2300).
  • Tres cadenas de distribución RF (EIA rígido 1 5-8”).
  • Nueve sistemas de protección local de tecnología lenta (PLC) y rápida (FPGA)
  • Nueve sistemas LLRF para NC + 26 sistemas LLRF para sección SC de cavidades spoke.
  • Diez cajas de oscilador local.

CAPACIDAD Y DESARROLLO

Simulación y modelado

Ansys HFSS es el software de campo electromagnético tridimensional de onda completa empleado para diseñar con gran resolución los componentes RF pasivos. Modelos precisos de estos componentes son creados y simulados mediante Comsol Multiphysics.

Altium Designer es una completa herramienta que proporciona la capacidad requerida para diseñar la electrónica que las aplicaciones RF requieren.

Magic T

Simulaciones de cavidad

Diseño de PCB

Caracterización experimental

El diseño de control de RF cubre diversas funcionalidades como el control remoto de la instrumentación, la automatización de procedimientos o procesos, la integración de máquinas de estado, así como el desarrollo de interfaces gráficas de usuario.

Banco de pruebas

Mediciones RF

Diseño de control

El diseño de control de RF cubre diversas funcionalidades como el control remoto de la instrumentación, la automatización de procedimientos o procesos, la integración de máquinas de estado, así como el desarrollo de interfaces gráficas de usuario.

Sistema de control

GUI


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