Corso H: Elementi di elettromagnetismo applicato a cavità

Corso H:
Elementi di elettromagnetismo applicato a cavità acceleranti a RF
Stagisti:
Tutor:
Baraldo Marco
Vighesso Mattia
Canella Stefania
Chiurlotto Francesca
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Indice
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•
Cenni sugli acceleratori
Circuito RLC parallelo
Da circuito RLC alla cavità risonante
Cenni di elettromagnetismo
QWR e porte
Superconduttività
Fattore di qualità Q
Esperienze pratiche
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Acceleratori
•
•
•
LNL: Acceleratori lineari per fasci di ioni.
Aumento dell’energia: dovuto all’accelerazione impressa dal campo elettrico presente nell’acceleratore.
2 tipi di acceleratori: elettrostatici
a radiofrequenza(RF)
 Elettrostatici: campo elettrico COSTANTE
 RF: campo elettrico OSCILLANTE
Negli acceleratori RF gli elementi acceleranti sono cavità superconduttive coassiali risonanti di forma cilindrica.
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ALPI
4
Circuito RLC
Un modello molto efficace per studiare il comportamento degli elementi acceleranti dei LINAC a RF è il circuito risonante RLC parallelo.
Le componenti fondamentali sono:
• un generatore (elemento attivo) di tensione elettrica V (Volt)
• gli elementi passivi in cui scorre la corrente, fondamentalmente : R, L, C
R=resistenza
L’impedenza d’ingresso vale:
L=induttanza
in
C=condensatore
1
1
1
Se i contributi di L e C si annullano, l’impedenza è massima.
La frequenza in cui ciò accade è detta frequenza di risonanza.
1
2
5
Da circuito RLC alla
cavità risonante
•
•
•
Un circuito RLC può immagazzinare energia se eccitato alla frequenza di risonanza.
Per aumentare la frequenza di risonanza del circuito è necessario diminuire l’induttanza.
Il minimo di L viene raggiunto quando un’unica superficie conduttiva collega le due facce del condensatore(cilindro con superficie laterale conduttiva, le 2 basi fungono da piastre del condensatore).
BEAM
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Da guida coassiale a QWR
• La cavità può essere sede di un’onda elettromagnetica ed essere paragonata a una guida coassiale.
• La guida coassiale è costituita da 2 cilindri conduttori (con lo stesso asse) separati da un dielettrico.
• Campo elettrico e campo magnetico si trovano agli estremi opposti della cavità: il primo è radiale, il secondo è concentrico.
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QWR e porte
Caratteristiche della cavità:
• Supporto in rame ricoperta all’interno di un film superconduttivo di Niobio
• Cavità raffreddata tramite elio liquido 4K
• La cavità è in ultra alto vuoto (10‐9 bar)
Coupler
La cavità è raffreddata a 4 K perché a questa temperatura il Nb diventa superconduttivo.
La cavità ha ingressi per immettere o sottrarre energia:
• Il pick‐up, che è una piccola antenna che campiona l’ampiezza e la fase del campo all’interno del risonatore. • Il coupler, è un’asola che trasferisce la potenza dalla linea rf all’interno della cavità.
• Le porte di fascio (beam port).
• Tuner
Palo centrale
Pick‐up
Beam port
Tuner
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Superconduttività
• Alcuni materiali (definiti superconduttori) hanno resistenza nulla al passaggio di corrente elettrica al di sotto di una certa temperatura.
• Il niobio raffreddato a 4K con l’elio liquido diventa superconduttivo.
• Le cavità superconduttive hanno rendimenti molto maggiori rispetto a quelle normal‐
conduttive e quindi in spazi fisici contenuti possiamo avere maggiore accelerazione.
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Fattore di qualità Q
• In una cavità risonante Q è la misura dell’efficienza della cavità nel conservare l’energia. ∆
È definita come rapporto tra energia immagazzinata (U) e potenza dissipata (P) in un ciclo di radiofrequenza (ω). Infatti all’aumentare della potenza, Q diminuisce.
Q e larghezza di banda sono inversamente proporzionali.
Q
1.E+09
1W
3W
7W
15 W
1.E+08
CR14-1
CR14-3
CR18-1
CR18-3
1.E+07
0
1
CR14-2
CR14-4
CR18-2
CR18-4
2
3
4
5
6
7
8
Ea [MV/m]
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Accoppiatori
•
•
L’energia alla cavità può essere trasferita tramite:
Accoppiamento magnetico: La corrente rf eccita un loop inserito nella cavità dove è eccitabile un campo magnetico alto.
•
Accoppiamento elettrico: Un’antenna penetra nella parete del risonatore dove è eccitabile un campo elettrico alto.
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Tuner
•
•
La frequenza di risonanza di una cavità può variare a causa di diversi fattori (vibrazioni, energia elettromagnetica, dielettrico, dimensioni e distribuzione di carica).
Per compensare queste variazioni si usa il tuner il quale interagendo con il piatto di cortocircuito modifica la capacità della cavità e quindi la sua frequenza.
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Pick‐up
• È un’antenna collegata che campiona l’ampiezza del campo all’interno del risonatore. 13
Esperienze pratiche
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Esperienze
• Misura della frequenza di risonanza di una cavità a temperatura ambiente.
• Caratteristica di un tuner.
• Aggiornamento configurazione del nuovo sistema di movimentazione di coupler e tuner dei criostati.
• Rilevamento dati sulla corsa dei coupler di ogni cavità.
• Rilevamento temperatura nell’area del buncher a 3 armoniche.
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Circuito
Generatore
Amplificatore
Circolatore
Carico
Oscilloscopio
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Risultati
700,00
600,00
500,00
400,00
V (mV)
300,00
200,00
100,00
,00
159.250.000
159.300.000
159.350.000
159.400.000
Frequenza (Hz)
159.450.000
159.500.000
La frequenza di risonanza nel nostro caso vale 159.379 MHz.
Il fattore di qualità calcolato vale 1643.
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Caratteristica del tuner
6000
5000
4000
3000
∆f (Hz)
2000
1000
0
0
100
200
300
Step
400
500
600
Con la cavità a temperatura ambiente, abbiamo constatato che ogni 100 step di variazione del tuner, la frequenza varia di 1KHz. Quindi ogni step varia la frequenza di 10Hz.
In una cavità a freddo, ogni step corrisponde a una variazione di 1Hz.
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Rilevamento corsa coupler
• I coupler hanno una corsa limitata, a differenza della corsa del tuner che non lo è.
• Il movimento di essa modifica la potenza inserita in cavità. Se tutta la potenza inserita resta nella cavità si parla di accoppiamento critico, altrimenti si parla di sottoaccoppiamento o sovraccoppiamento.
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Movimentazione del coupler
I fine corsa servono per evitare la fuoriuscita dell’accoppiatore.
Fine
corsa
riduttore
20
20
Controller RF di ALPI
N° passi
Movimento coupler
Movimento tuner
Modifica campo elettrico
Cambia fase segnale RF
Potenza in oscillazione
Guadagno con amp. blocc.
Guadagno con fase blocc.
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Temperature area Piave
29
28,5
28
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
27,5
27
Punto misura 1
Punto misura 2
26,5
26
25,5
25
21:36
0:00
2:24
4:48
7:12
9:36
12:00
14:24
16:48
19:12
Ora
22
Qualità comportamento buncher a 3 armoniche.
Componente a 120MHz
‐25
12:28
12:57
13:26
13:55
14:24
14:52
15:21
15:50
16:19
‐25,2
V
a
l
o
r
e
s
e
g
n
a
l
e
‐25,4
‐25,6
‐25,8
m
µ
‐26
M
‐26,2
‐26,4
‐26,6
‐26,8
Ora
23
Qualità comportamento buncher a 3 armoniche.
Componente a 40MHz
‐14,5
12:28
12:57
13:26
13:55
14:24
14:52
15:21
15:50
16:19
‐15
V
a
l
‐15,5
o
r
e
m
‐16
µ
s
e
g
n
‐16,5
a
l
e
M
‐17
‐17,5
Ora
24
Ringraziamenti
• Si ringraziano i tutor Stefania Canella e Francesca Chiurlotto, la dott.ssa Annamaria Porcellato per il materiale fornito e Sergey Stark autore dei programmi che registrano i dati che abbiamo utilizzato.
Produced by Vighesso Mattia and Baraldo Marco.
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