Els sistemes de radiofreqüència (RF) del Sincrotró ALBA són els responsables de l'acceleració dels electrons en l'anell de propulsió i l'anell d'emmagatzematge.

Les cavitats de radiofreqüència són cavitats metàl·liques que contenen un camp electromagnètic. Aquests camps electromagnètics són els que acceleren els electrons.

A l'anell de propulsió, l'energia dels electrons augmenta de 100MeV a 3GeV. A l'anell d'emmagatzematge, els sistemes de RF s'encarreguen de retornar als electrons l'energia que perden degut a l'emissió de radiació sincrotró (1.1 MeV per volta com a màxim per un corrent de 400 mA). 

Els camps electromagnètics es generen mitjançant amplificadors de potència RF. Les cavitats RF tenen una grandària i una forma específica que fa que el camp electromagnètic ressoni en el seu interior. Els electrons travessen les cavitats de radiofreqüència i s'acceleren sota l'efecte del camp electromagnètic.

3fe1567a-8cae-4d8f-b502-e4a6671595f2.jpeg

Els diferents elements que es poden trobar en una planta de RF són: els generadors de RF d'alta potència (IOT), el CaCo (mesclador de potència), el Circulador, el Sistema de Guia d'ones, la Cavitat i el sistema de control digital a baixa potència.

Els paràmetres principals del sistema de RF de l'anell de propulsió i l'anell d'emmagatzematge del Sincrotró ALBA són:

 

Anell propulsor

Anell d'emmagatzematge 

Freqüència de ressonància

499.654 MHz

499.654 MHz

Nombre de  cavitats

1

6

Voltatge RF per cavitat

1000 kV

600 kV

Energia perduda pels electrons en una volta

627 keV/turn

1.1 MeV/turn

Potència RF cavitat

25 kW

90 kW

Potència dels generadors RF d'alta potència

SSPA: 1 x 50 kW

IOT: 2 x 80 kW

Freqüència sincrotró

9.4 – 13.7 kHz

1.5 - 9.5 kHz

Factor sobretensió - q

 

2.7

Corrent màxim que es pot accelerar

4 mA

400 mA

Amplificador de RF: IOT

IOT són les sigles de "Inductive Output Tube" o tub de sortida inductiva. L'IOT és un amplificador d'alta potència i alta freqüència. Augmenta la baixa potència provinent del sistema de control fins a un factor 1E6. L'IOT 4444-C de L3 s'utilitza a l'anell d'emmagatzematge i pot proporcionar fins a 80 kW de potència de RF.

Amplificador de RF: SSPA

SSPA significa "amplificador de potència d'estat sòlid". Com l'IOT, l'SSPA s'utilitza com a amplificador de RF. En lloc de fer servir un tub de buit per a l'amplificació, l'SSPA es basa en transistors. Atès que cada transistor només és capaç de lliurar centenars de Watts, per aconseguir el rang de kW s'utilitzen diverses unitats, fins a 100, i la potència es combina dins de l'SSPA per arribar a 50 kW.

CaCo: mesclador de cavitat

Cada cavitat de l'anell d'emmagatzematge està alimentada per dos IOTs. La potència de sortida dels dos IOTs es suma en el que anomenem mesclador de potència, CaCo. Es tracta d'un disseny realitzat al Sincrotró ALBA, més compacte en comparació als mescladors híbrids tradicionals.

Circulador

El resultat del mesclador de potència (CaCo) s'envia al circulador, un dispositiu de tres ports que serveix per protegir els generadors de RF. El circulador està format per bobines i ferrites, organitzades de tal manera que provoquen que qualsevol potència de RF sortint del CaCo (port 1) es transmet a la cavitat (port 2); i, si hi hagués potència reflexada a la cavitat, aquesta aniria a la càrrega (port 3). Per disseny del circulador, la potencia reflexada a la cavitat no tornarà mai enrera cap al CaCo. Amb aquest dispositiu passiu es protegeixen els IOTs.

Guies d'ona i watrax

La potència de RF es transporta dels IOTs a la cavitat a través de guies d'ones estàndards WR1800. Al Sincrotró ALBA s'ha dissenyat una transició especial, que anomenem WATRAX (waveguide to coaxial transition) per transmetre la potència RF de la guia d'ona a la cavitat de radiofreqüència.

Cavitat de l'anell d'emmagatzematge: DAMPY

Les cavitats DAMPY són  cavitats de radiofreqüència que funcionen a temperatura ambient i han estat dissenyades per no tenir HOM (modes ressonants d'ordre superior al fonamental) dissenyades a HZB (Berlin, Alemanya) seguint un disseny europeu. Els paràmetres principals són:

TipUS

Single cell
Normal conducting
Pill box type

Freqüència de ressonància

500 MHz ± 1

Llargada d'inserció

0.5 m

Impedància desviada

> 3.1 MΩ

HOMs Longitudinals 

< 2 MΩ·MHz

HOMs Transversals 

< 60 kΩ/m

Acoblador de potència entrant

> 150 kW

Capacitat de refredament

> 80 kW

Voltatge màxim

700 kV

Cavitat de l'anell propulsor

La cavitat de l'anell propulsor és una cavitat de 5 cel·les dissenyada a DESY (Hamburg, Alemanya) i els seus paràmetres principals són:

BoosterCavity.png

TipUS

5-cell
Normal conducting
Petra-II cavity

Freqüència de ressonància

500 MHz ± 3

Llargada d'inserció

1.65 m

Impedància desviada

15 MΩ

Acoblador de potència entrant

75 kW

Voltatge màxim

1000 kV

Sistema digital de control a baixa potència

La tasca principal del sistema digital de control de baixa potència és la de controlar el voltatge de la RF de la cavitat, mantenint la fase i l'amplitud constants respecte al feix d'electrons. Per fer-ho s'utilitzen targes digitals amb processadors digitals i molt ràpids com ara ADCs, DACs i FPGAs. També manté constant la freqüència de ressonància de la cavitat utilitzant un sintonitzador a la cavitat, que per exemple, compensa qualsevol desviació tèrmica.

Els paràmetres principals d'aquest sistema són:

  Targes Digitals  

SAFRAN:

  • x20 ADC, 250 MSPS, 16 bit
  • x2 DAC, 1.5 GSPS, 16 bit
  • FPGA XILINX Zynq UltraScale+

Basats en la tècnica de IQ Modulació/demodulació

 

Resolució en la mesura de l'amplitud

< 0.05% peak to peak

Resolució en la mesura de la fase

< 0.1º peak to peak

Amplada de banda

> 10 kHz

Rang dinàmic 

> 30 dB

Extres

  • Encesa automàtica
  • Recuperació automàtica fins i tot amb feix
  • Registre de dades ràpid
  • Condicionament automàtic
  • Trip compensation (compensació de fallades)
  • Retroalimentació directa