Corso H: Elementi di elettromagnetismo applicato a cavità acceleranti a RF Stagisti: Tutor: Baraldo Marco Vighesso Mattia Canella Stefania Chiurlotto Francesca 1 Indice • • • • • • • • 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 2 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. 3 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 6 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. 7 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 8 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. 9 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] 10 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. 11 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. 12 Pick‐up • È un’antenna collegata che campiona l’ampiezza del campo all’interno del risonatore. 13 Esperienze pratiche 14 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. 15 Circuito Generatore Amplificatore Circolatore Carico Oscilloscopio 16 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. 17 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. 18 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. 19 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. 21 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. 25