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Izquierda: cavidad de 3r harmónico instalada en el anillo de almacenamiento de BESSY II. Derecha: prototipo de la cavidad en el laboratorio de ALBA con parte del equipo de RF en 2021.
Cerdanyola del Vallès, 29 de junio 2023 Los sistemas de radiofrecuencia (RF) son los responsables de la aceleración de los electrones en el anillo de propulsión y el anillo de almacenamiento. Lo hacen con campos electromagnéticos. En el anillo propulsor, la energía de los electrones aumenta de 100 MeV a 3 GeV. En el anillo de almacenamiento, los sistemas de RF se encargan de devolver a los electrones la energía que pierden debido a la emisión de la luz de sincrotrón.
Los campos electromagnéticos se generan mediante amplificadores de potencia RF y se confinan dentro de unas piezas de cobre vacías: las cavidades de radiofrecuencia. Las cavidades tienen un tamaño y una forma específica que hacen que el campo electromagnético resuene en su interior. Los electrones atraviesan las cavidades de radiofrecuencia y se aceleran bajo el efecto del campo electromagnético.
Actualmente las cavidades RF de ALBA oscilan a una frecuencia de 500 MHz, es decir, la dirección del campo eléctrico que generan cambia 500 millones de veces por segundo. Ahora, la idea es añadir un nuevo sistema de 3r harmónico donde la frecuencia de oscilación será tres veces más grande (de aquí el nombre de tercer harmónico). Les cavidades oscilarán a 1,5 GHz: 1.500 millones de veces por segundo!
Aunque los dos sistemas son muy parecidos, la finalidad de cada uno es muy diferente. Mientras que las primeras cavidades seguirán sirviendo para recuperar la energía que pierden los electrones en emitir la luz de sincrotrón; las nuevas servirán para alargar el haz. En concreto, con este cambio de frecuencia se consigue aumentar el tamaño del paquete de electrones de forma longitudinal. En tener más espacio, disminuye la densidad de electrones dentro del paquete, de manera que también se reduce el número de choques entre ellos, hecho que se traduce en un mayor tiempo de vida de los electrones dentro del acelerador y una mayor estabilidad del haz.
Para conseguirlo, el grupo de RF de ALBA ha diseñado y construido un prototipo de una cavidad RF de 3r harmónico. También se ha establecido una colaboración con los sincrotrones alemanes BESSY II (HZB) y DESY, donde cada centro ha aportado alguno de los componentes totales del sistema RF de 3r harmónico para probar el sistema completo con haz real.
Durante el 2021, el prototipo de la cavidad, así como el sistema de radiofrecuencia de bajo nivel (LLRF en inglés), pasaron con éxito los primeros test. El verano pasado de 2022, la cavidad fue instalada en el anillo de almacenaje de BESSY II en Berlín para ser probada ya en un acelerador en condiciones reales con haz de electrones. Los primeros resultados han demostrado el buen funcionamiento de la cavidad y han conseguido aumentar el tiempo de vida del haz almacenado hasta un factor 3.
El interés de los tres sincrotrones es común y motivado por el proceso de renovación a sincrotrones de 4a generación: los nuevos BESSY III y MLS II en el HZB, PETRA IV en DESY y ALBA II, en el caso de ALBA.
El plan actual de ALBA es instalar el sistema del 3r harmónico en el anillo de almacenaje el 2026. De esta forma se podrán empezar las pruebas antes de la parada para construir ALBA II. El objetivo final es tener 10 cavidades instaladas en el anillo de almacenaje: 6 fundamentales (las actuales de 500 MHz) y las 4 nuevas de 3r harmónico.
El tiempo de vida del haz de electrones en un acelerador es clave para el rendimiento de una fuente de luz de sincrotrón, ya que reduce las pérdidas de haz y la frecuencia de las inyecciones. Para ALBA II el objetivo es tener una vida útil de diversas horas operando a una corriente de 300 mA. Dado que la vida útil es proporcional a la longitud del paquete de electrones, aumentar esta longitud con un sistema de 3r harmónico se convierte en la solución óptima.
La construcción del prototipo está cofinanciada por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) en el marco del Programa Operativo Plurirregional de España (anterior Crecimiento Inteligente) 2014-2020.
Con la colaboración de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología. El Sincrotrón ALBA forma parte de la red de Unidades de Cultura Científica y de la Innovación (UCC+i) de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT) y ha recibido apoyo a través del proyecto FCT-21-17088.
