Particularidades de un sistema de RF

El Sistema de RF, dentro del acelerador, es el sistema de mayor tamaño y complejidad, resultando mayor incluso que el propio acelerador, en muchos de los casos. Esto no implica que sea el sistema más difícil de diseñar, ya que disfruta la posibilidad de aprovechar algunos diseños y soluciones ya implementadas en otras instalaciones. Sin embargo, es el sistema que aporta la potencia aceleradora y lo hace por medio de múltiples alimentaciones en paralelo a las

que se denomina cadenas de RF. Cada cadena debe aportar una señal de RF a un acoplador de entrada situado en un punto concreto del acelerador. Dependiendo del tipo de acelerador, la señal requerida en cada acoplador debe tener una fase y una amplitud concretas y también reguladas en unos márgenes muy estrechos y con una estabilidad muy alta, tanto si se trata de pulsos del orden de microsegundos, como si se trata de funcionamiento en modo continuo durante largos periodos. Al igual que en el caso del acelerador, en principio, todas las cadenas deben funcionar en parámetros nominales para que el sistema se considere disponible y si una de las cadenas falla, el sistema no solo pasa a considerarse no disponible, sino que está obligado a evacuar toda la potencia antes de que se produzcan daños en el acelerador, debidos al posible desvío del haz acelerado. Como ya se ha explicado, hay una salvedad y es que en algunos aceleradores, se puede compensar internamente el fallo de una cadena de RF, modificando los parámetros de las cadenas de RF contiguas. Este es un aspecto aún en estudio para IFMIF y que supondría un método de compensación interna de fallos, pero aplicada a todo el acelerador y no solo al Sistema de RF, lo que lo deja fuera del alcance de esta tesis.

Independientemente del modo de funcionamiento del acelerador, cada cadena de RF, internamente, es una sucesión de etapas amplificadoras que también pueden tener caminos paralelos, dependiendo del tipo de tecnología. Esto da lugar a una disponibilidad resultante que es función de las disponibilidades de sus componentes en serie en la mayoría de los casos, ya que el fallo de cualquier componente de la cadena, evita que las etapas posteriores puedan funcionar correctamente. Esto se puede corregir parcialmente en sistemas de RF capaces de trabajar en modos degradados, o lo que es lo mismo, con algunos de sus componentes averiados, pero al contrario que el concepto usual de modo degradado, que suele referirse a un modo de trabajo en el que el sistema aporta, al menos, una parte de lo que tiene que aportar, pero no todo, en el caso de una cadena de RF para un acelerador como IFMIF, funcionar en modo degradado significa que, a pesar de algún fallo interno, la cadena compensa internamente el fallo y sigue aportando todo lo que tiene que aportar al acelerador. Es admisible sin embargo, la pérdida de características que no afecten al acelerador, como la pérdida de redundancia, al ir agotando su capacidad de compensar más fallos, o la pérdida de eficiencia, que redunda en un mayor consumo pero no modifica la señal enviada por el sistema de RF hacia el acelerador. En definitiva el sistema de RF tiene que aportar la señal de RF requerida y si no es capaz de hacerlo, debe apagarse a sí mismo

Aún con estas dificultades, la disponibilidad de un sistema de RF para aceleradores de partículas, suele ser relativamente alta respecto a otros sistemas y es también el sistema al que mayores esfuerzos se le piden en este sentido.

3.5

Justificación del interés de la tesis.

La progresiva industrialización de los aceleradores de partículas requiere de máquinas capaces de generar su haz, en niveles de disponibilidad similares a los de cualquier otra planta de producción. Al igual que en la “industria”, la rentabilidad o el éxito de una instalación, aumenta cuando aumenta su disponibilidad. Como ya se ha explicado detalladamente IFMIF requiere la mayor disponibilidad de haz posible para cumplir su misión.

Una vez que comienzan los primeros estudios de la fase IFMIF/EVEDA en 2006 se comienzan a analizar posibles mejoras en la disponibilidad del sistema que ya son tenidas en cuenta cuando se publica el informe preliminar de RAMI del proyecto IFMIF[4]. En ese informe se plantea que alguno de los otros sistemas del acelerador no van a alcanzar la disponibilidad estimada, ni siquiera con los márgenes previstos, debido a las enormes dificultades de diseño que presenta este acelerador. Ante esta perspectiva, se propone que aquellos sistemas que puedan aumentar su disponibilidad lo hagan, con el fin de compensar la bajada de disponibilidad de los sistemas que se van a quedar por debajo de lo previsto. Es entonces cuando se propone que el objetivo disponibilidad del Sistema de RF se sitúe por encima del 98%. Dado el alto impacto de la disponibilidad del sistema de RF en la disponibilidad del acelerador, no se ha planteado ningún límite al estudio de nuevas tecnologías en sistemas de RF, dando origen y sentido a esta tesis.

En resumen, esta tesis tiene como origen y justificación, la necesidad del Sistema de RF de los aceleradores de la instalación internacional IFMIF de alcanzar la mayor disponibilidad posible, con el objetivo de superar el 98%.

3.6

Metodología

Teniendo en cuenta las justificaciones del apartado anterior, la metodología de trabajo ha sido bastante compleja y ha implicado a un gran número de personas. Una vez que se asume identificada la necesidad de alcanzar una mayor disponibilidad que la que corresponde al diseño de referencia propuesto, se proponen mejoras que afectan a alguno de los parámetros RAMI que, como ya se ha explicado, son el MTTR y el MTBF. Esto se hace en base a la aplicación de las distintas opciones tecnológicas de RF y técnicas de RAMI explicadas en el capítulo 2 o mediante el desarrollo de nuevos conceptos. A partir de esta propuesta, se desarrolla la mejora y se simula o ensaya físicamente para proceder a su validación tecnológica. Finalmente, se comprueba si el diseño final supone o no un aumento de la disponibilidad y si es así, se propone para ser incluida en el diseño de referencia. Para ello, se han desarrollado dos sistemas novedosos. Por un lado está el denominado Módulo de RF de Tetrodos que figura ya como solución de referencia. Por el otro lado, en proceso de validación, se encuentra el denominado Módulo de RF de Estado Sólido de 200 kW, que ha sido desarrollado bajo la misma metodología. Para este segundo caso, hay una primera etapa, el SSPA16 KW que también pertenece ya, junto al módulo de tetrodos, a la solución de referencia.

3.7

Aplicación Práctica

Siguiendo la metodología expuesta, esta tesis propone una serie de mejoras, que se pueden clasificar atendiendo, al término de RAMI sobre el que tienen mayor impacto, como sigue: Mejoras que afectan al MTBF (tiempo medio entre fallos)

- Sistema de protección de tetrodos - Tecnología LDMOS

- Combinador Matricial - Modos degradados

Mejoras que afectan al MTTR (tiempo medio de reparación) - Sistema de plataformas extraíbles

- Modularidad (niveles de sustitución) en tecnología de tetrodos - Modularidad (niveles de sustitución) en tecnología de estado sólido - Gestión de tetrodos

- Concepto “Smart Spare”

Estos puntos se desarrollan en detalle en los capítulos 4 y 5, donde se expone el ciclo de vida de cada mejora, haciendo especial énfasis en su concepción y en su efecto neto en la disponibilidad. Si bien esta clasificación resulta muy útil para entender el tipo de impacto que produce cada mejora, la forma más manejable de explicar la evolución del diseño orientado a la mejora de la disponibilidad, es por medio de una clasificación distinta según opciones tecnológicas. Como ya se ha explicado, la primera solución tecnológica adoptada por esta tesis, después de haber descartado el diseño de referencia antiguo, consistía en un sistema basado en amplificadores de hasta 200 kW, construidos alrededor de tetrodos de alta potencia. Sobre este sistema se realizaron sucesivas propuestas de mejora que se fueron implementando para su validación. Una vez constatado que con la suma de todas estas mejoras no se alcanzaba el 98% de disponibilidad, se propuso avanzar un paso más y cambiar la tecnología de tetrodos por una nueva tecnología de estado sólido.

Con el fin de facilitar la comprensión de esta tesis que ya de por sí es especialmente compleja por abarcar un rango muy amplio de tecnologías, en los siguientes capítulos, se tratan estas dos opciones tecnológicas en paralelo, de modo que se exponen y estudian las mejoras aplicadas al sistema basado en tetrodos, por un lado y las aplicadas al sistema basado en tecnología de estado sólido, por el otro, tal como se muestra en la siguiente clasificación:

Mejoras aplicadas a los Módulos de RF de tetrodos - Sistema de plataformas extraíbles

- Sistema de protección de tetrodos - Modularidad

- Gestión de tetrodos - Concepto de “Smart Spare”

Mejoras aplicadas a los módulos de RF de estado sólido - Tecnología LDMOS

- Combinador Matricial - Modos degradados - Modularidad

Es muy importante para la comprensión de los capítulos 4 y 5, insistir en que ambas soluciones no son paralelas en cuanto a su estudio de RAMI. Si bien en el caso de la solución de tetrodos, las distintas mejoras se toman como soluciones separables de la configuración inicial y de este modo se estima su impacto en la disponibilidad de forma individual, en el caso de la solución de estado sólido hay que considerar que solo puede existir, de forma viable, si dispone de aquellas características especiales que se presentan cómo mejoras. Dicho de otro modo, la tecnología de estado sólido, que actualmente se podría utilizar en aceleradores de partículas o máquinas de fusión nuclear, no dispone de las características apropiadas para ser utilizada ventajosamente respecto a los sistemas de tetrodos, salvo por su mayor disponibilidad. De este modo, desde esta tesis se proponen una serie de mejoras sobre la tecnología actual de estado sólido, que permitirían que la misma resultase competitiva con las soluciones de tetrodos, que actualmente se están implantando en ese rango de frecuencias.

En el capítulo 4 se presenta en primer lugar la tecnología de tetrodos utilizada, así como el resultado final del diseño del Módulo de RF de Tetrodos y a continuación se estudia el efecto de cada una de las mejoras de que dispone ese diseño. En este sentido, se puede observar cómo la carencia de alguna de las mejoras de hardware que se proponen tendría un impacto negativo sensible en la disponibilidad del conjunto, mientras que por otra parte, la aplicación de las medidas de gestión de mantenimiento tendría un impacto positivo añadido sobre la disponibilidad del sistema completo.

Por su parte, en el capítulo 5 se presenta el diseño del Módulo de RF de Estado sólido de 16 kW, así como las tecnologías adicionales que se requieren para construir con éxito un Módulo de RF de 200 kW, que sirva como alternativa para el Proyecto IFMIF. En la segunda parte de este capítulo, se estudia cada una de las características específicas o mejoras de que dispone esta tecnología, respecto a la tecnología convencional de estado sólido. En este caso, el estudio de disponibilidad no se hace individualmente para cada una de las características explicadas, sino que se hace de forma conjunta ya que un sistema que careciese de alguna de estas mejoras, no sería competitivo con las soluciones de tetrodos en este sector y por lo tanto, no sería aplicable. En definitiva, en el capítulo 5 se estudian las mejoras que permitirían la aplicación adicional de una tecnología, la de estado sólido avanzada, que a su vez, permitiría un aumento muy considerable de la disponibilidad.

Finalmente, como comparativa de ambas tecnologías, en el capítulo 6 se muestran los resultados obtenidos en los ensayos de una y otra tecnología y en el capítulo 7 se comparan y se discuten las características de cada sistema y sus soluciones propias y mejoras, desde el punto de vista de RAMI, así como los trabajos futuros pendientes para redondear la aplicación de estas tecnologías en el sector de los grandes proyectos científicos.

Referencias

[1] S. Theeuwen y otros., «LDMOS Technology for RF Power Amplifiers,» IEEE Transactions on

microwave theory and techniques, vol. 60, nº 6, 2012.

[2] IFMIF International Team, «IFMIF Comprehensive design report,» International Energy Agency (IEA), 2003.

[3] E. Bargalló y otros, «Availability, reliability and logistic support studies of the RF power system options for the IFMIF accelerator,» de 27th Symposium on Fusion Technology, Lieja, 2012.

[4] E. Bargalló y otros, «RAMI analyses of the IFMIF accelerator facility and first availability,» de Symposium on Fusion Technologies, 2012.