Transmisión de alta energía con generadores RF en centros de investigación de física de altas energías

En los centros de investigación de física de altas energías, los generadores RF (radiofrecuencia) desempeñan un papel crucial en la producción de las ondas electromagnéticas necesarias para varias aplicaciones de investigación, incluidas la aceleración de partículas, la generación de plasma y la calefacción. Estos generadores convierten la energía eléctrica en señales de alta frecuencia, que luego se utilizan para alimentar varios sistemas en los centros de investigación.

Los sistemas de líneas de alimentación RF son esenciales para transferir eficientemente la energía producida por los generadores RF de alta potencia a sus aplicaciones previstas. Estos sistemas consisten en cables coaxiales, guías de onda, redes de adaptación de impedancia y otros componentes diseñados para manejar la transmisión de alta potencia RF sin pérdida significativa de energía.

Los sistemas de líneas de alimentación RF SPINNER son componentes cruciales para la transmisión de alta energía.

Los generadores RF y sus sistemas de líneas de alimentación de apoyo son críticos en los centros de investigación de física de altas energías para alimentar aceleradores de partículas, calentar plasmas y generar campos electromagnéticos para diversos experimentos. Los factores clave de éxito para estos componentes son su capacidad para manejar señales RF de alta potencia y alto voltaje, minimizar las pérdidas y mantener la adaptación de impedancia. El funcionamiento exitoso de los sistemas RF sustenta muchos experimentos en la investigación de energía de fusión y física de partículas en todo el mundo, particularmente en instalaciones como el CERN, ITER y SLAC. Las funciones clave son:

  • Transmisión de potencia: Los sistemas de líneas de alimentación RF transportan señales de alta potencia desde las fuentes RF hasta las cavidades de aceleración. El sistema debe minimizar las pérdidas de potencia para garantizar una transmisión eficiente.
  • Adaptación de impedancia: Una correcta adaptación de impedancia entre la fuente RF, la línea de alimentación y la cavidad es crucial para minimizar las reflexiones y la pérdida de potencia, asegurando una transferencia máxima de energía.
  • Estabilidad de fase: En muchos aceleradores, la fase de la señal RF se sincroniza con los paquetes de partículas. El sistema de líneas de alimentación debe mantener la estabilidad de fase para garantizar una aceleración consistente.
  • Gestión térmica: Los sistemas RF de alta potencia generan un calor significativo. El sistema de líneas de alimentación debe estar diseñado para manejar este calor, típicamente a través de sistemas de enfriamiento o materiales resistentes al calor.
  • Estabilidad mecánica: Las líneas de alimentación RF deben mantener su integridad estructural bajo diversas condiciones de operación, incluidas las de alto vacío, variaciones de temperatura y tensiones mecánicas.
  •  Bajas pérdidas y alta eficiencia: El sistema de líneas de alimentación debe minimizar las pérdidas (resistivas y dieléctricas) para garantizar que la mayor parte de la potencia RF llegue a las cavidades de aceleración.

Los componentes clave para la transmisión de alta energía son:

  • Guías de ondas rectangulares rígidas y líneas coaxiales rígidas: Estructuras metálicas que guían la potencia de RF desde los klystrons o amplificadores hasta las cavidades aceleradoras. Las guías de ondas deben tener bajas pérdidas y estar diseñadas con precisión para mantener la estabilidad de fase.
  • Cables coaxiales: Utilizados para la transmisión de RF de baja potencia, los cables coaxiales también desempeñan un papel en la entrega de señales de RF, especialmente en sistemas de diagnóstico y control.
  • Acopladores direccionales: Dispositivos que permiten la introducción controlada de potencia de RF en las cavidades del acelerador. El factor de acoplamiento es crucial para optimizar la transferencia de energía.
  • Desfasadores: Dispositivos que ajustan la fase de la señal de RF para sincronizarla con los racimos de partículas, cruciales para mantener una aceleración estable.
  • Adaptadores: Dispositivos para conectar guías de ondas con diferentes interfaces.
  • Cargas: las cargas se colocan al final de la ruta de alimentación y garantizan así la terminación correcta. Esto reduce las reflexiones molestas y garantiza el máximo rendimiento y calidad del sistema global.
  • Combinadores de potencia: Combinación de varias fuentes de alimentación en una línea de transmisión.

Estos factores determinan colectivamente la eficiencia, estabilidad y efectividad de los sistemas de líneas de alimentación RF en centros de investigación de física de altas energías.

Hemos estado desarrollando y suministrando componentes especiales de alta energía de radiofrecuencia para una variedad de proyectos de alta potencia desde 1967:

  • En 1967, SPINNER suministró las primeras líneas de transmisión coaxial para la adaptación de transmisores (con 250 kW de potencia a 200 MHz) para el Sincrotrón de Protones (PS) del CERN.
  • En 1978/1979, el CERN vuelve a confiar en los componentes de SPINNER, esta vez para su Super Sincrotrón de Protones. Para la expansión del acelerador de partículas SPS (Super Proton Synchrotron), SPINNER fue contratado para desarrollar y entregar un combinador de 16x para el cambio paralelo de 16 transmisores cada uno (60 kW cada uno, CW a 200 MHz), un combinador de ocho transmisores (8×60 kW, CW a 800 MHz) y un interruptor coaxial 150-345 (para 1 MW; CW a 200 MHz).
  • En 1981, SPINNER suministra líneas coaxiales de alta potencia RL100-230 (50 ohmios), sintonizadores de varilla, interruptores de CC, absorbentes y conmutadores al IPP (Instituto Max Planck de Física de Plasma) para sus reactores experimentales Tokamak ASDEX y Wendelstein.
  • En 1983, SPINNER suministró componentes de guía de onda R32 en tecnología de alto vacío por primera vez para el LEP-Linac (Gran Colisionador de Electrones/Positrones) del CERN e instaló los sistemas completos de transmisión de guía de onda con divisores de potencia, puertos de bombeo, interruptores, acopladores direccionales y desfasadores desde los klystrons de 35 MW hasta las estructuras del acelerador.
  • En 1985, SPINNER completa un pedido para el LEP Linac en el CERN: Para el LEP Injector Linac del Gran Colisionador de Electrones-Positrones en el CERN en Suiza, SPINNER desarrolla y suministra estructuras de acelerador de 3 GHz (con 135 cavidades) y la línea de referencia de 3 GHz en 1 5/8″ para impulsar los klystrons.
  •  En 2004, aún no está claro dónde se construirá el gigantesco Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER). A pesar de esto, los proyectos preliminares requeridos ya han estado funcionando a toda velocidad durante varios años. Incluyen trabajos en el JET (Joint European Torus) en el Reino Unido para optimizar el modo de calentamiento de plasma ICRH (calentamiento por resonancia ciclotrónica de iones) que se utilizará. SPINNER suministra dos líneas de transmisión MW para ello.
  • En 2011, MedAustron, uno de los centros más avanzados de Europa para la terapia de haces de iones e investigación, abrió en Wiener Neustadt, al sur de Viena, Austria, confiando en los componentes RF de SPINNER. Además de tratar pacientes en ensayos clínicos, el centro también alberga investigación no clínica.