Modularidad en tecnología de estado sólido

La modularidad en el Módulo de RF de Estado Sólido ha sido lograda en un grado aún más eficiente que en el caso del sistema de tetrodos.

Los amplificadores de estado sólido se articulan, por medio de sistemas de combinación que recogen la potencia proveniente de los amplificadores de potencia media (1 kW aproximadamente en el caso de IFMIF) y la transmiten a la línea de transmisión, con las características requeridas de alta potencia. Estos sistemas también cuentan con equipos comunes a todos los caminos de potencia, como son el SRS (Sistema de Regulación de Señal) o el MCS (Module Control System), así como las ramas colectoras de los sistemas de refrigeración o las acometidas eléctricas. A pesar de la existencia de estos elementos comunes, la mayor parte de las averías se producen en los amplificadores y sus fuentes, al igual que ocurre en los módulos con tetrodos, lo que lleva a contemplar un esquema de decisión, similar al de aquellos, para la diagnosis (figura 5.27.).

Siguiendo este plan, si se detecta una avería en el Módulo de RF de Estado Sólido, se realiza la diagnosis para definir si se puede identificar en qué bloque funcional se encuentra la misma o si la reparación es inmediata, por ejemplo por el rearme de un interruptor disparado. Si no se puede identificar el bloque funcional, se sustituye todo el Módulo de RF de Estado Sólido, sin embargo, al contrario que ocurre en el sistema basado en tetrodos, en este caso, esta opción es remota ya que el sistema se encuentra monitorizado por medio de las alimentaciones eléctricas de todos los amplificadores, con lo que es casi instantáneo detectar si el problema viene del sistema de amplificadores. Por su parte el sistema de combinadores, al ser pasivo, provocaría señales visibles de avería y solo en caso de tratarse del bloque de subsistemas auxiliares como la alimentación eléctrica, el SRS, el MCS, el sistema de refrigeración local, etc., se podría dar la duda sobre el subsistema averiado. Por otra parte aprovechando la posibilidad de sustitución de amplificadores en caliente, es decir, sin provocar la parada del acelerador, con lo que la avería de un amplificador, si bien genera una alarma, no implica detención del haz.

Queda por lo tanto a criterio del Plan de Mantenimiento, sustituir cada amplificador que se averíe, manteniendo así toda la redundancia operativa o esperar a agotar la redundancia para proceder a la sustitución en caliente de los amplificadores o bien explorar cualquier opción intermedia. Si la avería se produce en alguno de los sistemas auxiliares no redundantes, aunque con menor tasa de fallos se procede, como se indica en el esquema, con una segunda diagnosis en el nivel 2 hasta detectar el subsistema afectado. En este aspecto, la substitución del bloque funcional tampoco tiene sentido en la mayoría de los casos, aunque existe la posibilidad, porque los sistemas auxiliares también tienen cierto nivel de autodiagnóstico. Una vez detectado el subsistema averiado, se tomará la decisión de sustituirlo completamente aprovechando la modularidad del mismo o realizar una nueva diagnosis para comprobar si se puede resolver el problema en un nivel inferior, mediante la sustitución de una tarjeta electrónica o un componente equivalente. Una de las ventajas intrínsecas de un sistema como este, compuesto a partir de la suma en paralelo de muchos subsistemas, es su intrínseca modularidad y la posibilidad de aprovechar esta característica a la hora de plantear un diseño que permita una gran mantenibilidad.

Figura 5.27. Esquema de decisión durante la diagnosis de averías del SSPA

En resumen, todo el Módulo de RF de Estado Sólido es novedoso en sí mismo por serlo su aplicación en este campo. En este capítulo se han descrito las principales innovaciones aportadas por esta tesis, el impacto cualitativo de las mismas en la disponibilidad del Sistema de RF de IFMIF así como el impacto cuantitativo de la solución completa, incluyendo ya todas las características aportadas. Se ha demostrado que la aplicación de una tecnología determinada con una serie de características especiales, puede suponer un importante avance en la disponibilidad de este tipo de sistemas, hasta el punto de permitir al diseñador o bien al usuario elegir el nivel de disponibilidad deseado dentro de un margen amplio que culmina en un teórico 100%, sin que ello suponga un incremento desmesurado del coste.

Referencias

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[9] J. Lluch, Basic «Concepts on Reliability», Leganés: Broad Telecom BTESA, 2013. [10] Yageo Corporation, «Electrolytic Capacitors», YAGEO, 2013.

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[16] A. Grebennikov, « Power Combiners, Impedance Transformers and Directional Couplers: Part II,» High Frequency ElectronicsJanuary, 2007.

6. Resultado de los Ensayos

6.1

Requisitos de la señal de RF

Este capítulo viene a demostrar que el diseño propuesto y las mejoras introducidas en el sistema de RF, aparte de dar lugar a una mejora de la disponibilidad, en los términos que ya se han expuesto, mantienen e incluso mejoran, en algunos aspectos, las características técnicas fundamentales que se le exigen a un sistema de este tipo. Si bien la memoria de tesis se centra en los cambios que se han introducido a favor de la disponibilidad, la verdadera dificultad de esta investigación, radica, precisamente, en implantarlos sin ceder, a cambio, calidad de señal, potencia o eficiencia, consiguiendo así un sistema realmente mejorado en términos globales. Este capítulo se dedica íntegramente a los ensayos realizados con los dos prototipos de amplificadores, ya construidos y probados durante el desarrollo de esta tesis. Se trata del Módulo de RF de Tetrodos y del Módulo de RF de Estado Sólido SSPA16kW. Ambos equipos se encuentran ya a disposición del proyecto y están siendo utilizados, con éxito, en tareas de acondicionamiento y puesta en marcha de las distintas cavidades del acelerador prototipo LIPAc. Como se verá a continuación ambos han sido sometidos al mismo tipo de ensayos de laboratorio, con las particularidades que requiere cada tecnología y cada nivel de potencia y ambos han obtenido resultados sensiblemente superiores a lo esperado, lo que supone un gran éxito, por ser ambos sistemas novedosos en sus respectivas tecnologías. Superados estos exhaustivos ensayos, se puede asegurar que ambas tecnologías cumplen holgadamente con las especificaciones de calidad de señal del proyecto IFMIF y por tanto, es de suponer que puedan operar con solvencia en el acelerador.

A continuación se presentan los requisitos fundamentales del sistema. Éstos requisitos son válidos tanto para el Módulo de RF de Tetrodos como para el Módulo de RF de Estado Sólido, salvo, por supuesto las potencias que son distintas en cada caso. También hay que tener en cuenta que en los dos capítulos anteriores se ha hablado de otros requisitos como la disponibilidad, la escalabilidad, la modularidad, algunas características de emisión térmica al ambiente y otras muchas que han sido alcanzadas gracias a la aplicación de las correspondientes soluciones novedosas en cada caso. Lo que aquí se trata se refiere exclusivamente al producto de todo ese sistema, la señal de RF de salida que es la que va a hacer funcionar a los aceleradores de partículas (figura 6.1.).

Tabla 6.1. Requisitos fundamentales de RF

Parámetro Valor objetivo

Frecuencia Ancho de banda

Estabilidad de fase (lazo cerrado) Estabilidad de potencia (lazo cerrado)

175 MHz ±250 KHz@-1 dB

±1º ±1%

Linealidad (lazo cerrado) 1%

Resistencia a potencia reflejada (40 kW) 5 horas

Tiempo de parada de emergencia < 10-6 s

Resistencia potencia reflejada(220KW) 10-6 s

En la tabla 6.2. se presentan los requisitos de temporizado para el modo pulsado que se utilizará en procesos de acondicionamiento de cavidades y acopladores y durante el periodo de puesta en marcha.