El uso de fuentes de RF de alta potencia es un requisito básico en el campo de la investigación y el desarrollo de grandes instalaciones científicas. Estas fuentes, por lo general, se componen de circuitos amplificadores capaces de elevar la potencia de una señal débil, que es controlada con alta precisión. Esta práctica requiere, a su vez, de mucha estabilidad en frecuencia y fase y una elevada linealidad en todos los parámetros, con el fin de que la reproducción de la señal débil a alta potencia sea lo más fiel posible. Como ya se ha explicado, las frecuencias empleadas, en el rango de interés de esta tesis, van desde unos 50 MHz a 300 MHz. En el caso de IFMIF, se trabaja a 175 MHZ con un 1% de margen de estabilidad en amplitud (referida a la potencia) y 1° de margen de estabilidad de fase. En cuanto a la potencia requerida, los 200 kW máximos por cada cavidad aceleradora que exige IFMIF, se encuentran en el orden superior de potencia, siendo los casi 20 MW totales para ambos aceleradores completos, un enorme reto tecnológico. Cuando un solo amplificador no puede aportar toda la potencia necesaria para una cavidad del acelerador, se pueden combinar varios amplificadores para una misma cavidad, bien por medio de combinadores externos al propio acelerador o bien aportando la potencia gradualmente a lo largo de la propia cavidad. Los factores más importantes que se persiguen son la eficiencia en la conversión de energía, la fiabilidad y disponibilidad y en algunos casos, el ancho de banda. Teniendo en cuenta estos factores, se puede evaluar cuáles son los dispositivos más apropiados para cada aplicación. En la figura 2.4., se muestran las potencias medias que ofrece cada tipo de dispositivo, de los utilizados en sistemas de RF y microondas para aceleradores de partículas. En los dispositivos de mayor potencia y frecuencias por debajo de los 300 MHz puede verse que los tubos de vacío de rejilla (tetrodos principalmente) siguen siendo los más habituales, por las causas comentadas anteriormente. En ese rango de frecuencias y para potencias intermedias, se utilizan ya los SSPA (Solid State Power Amplifiers) o dispositivos de estado sólido.
Figura 2.4. Estado del arte para sistemas de RF para aceleradores según potencia y frecuencia de trabajos [7]
Por encima de los 300 MHz los sistemas de alta potencia utilizan mayoritariamente klystrons. En potencia menores se pueden utilizar IOT’s o TWT y más allá de los 10 GHz se utilizan mayoritariamente girotrones en alta potencia y magnetrones en potencias medias.
En lo concerniente a los tetrodos, se ha desarrollado recientemente un derivado denominado Diacrodo (®Thales Electron Devices), que entrega una potencia de 1 MW de RF en onda continua, a 200 MHz. Se estima que con este desarrollo, la potencia en este tipo de dispositivos ha alcanzado su límite por razones de densidad térmica y que los nuevos avances deben venir de la mano de mejoras en la fiabilidad y disponibilidad de los amplificadores que contienen a esos tubos. En la figura 2.5. se muestra el ejemplo del dispositivo LANSCE [8] que ha seguido la tendencia de IFMIF, utilizando un concepto similar al que se ha aplicado al módulo de RF de de disponibilidad mejorada, propuesto durante esta investigación.
Figura 2.5. Nuevo amplificador de RF para el dispositivo LANSCE (Los Álamos)
En la actualidad existe una tendencia clara a la sustitución de los sistemas de RF basados en tecnología termoiónica por otros, basados en tecnologías de estado sólido, que resultan más fiables, duraderos y versátiles para todas aquellas aplicaciones en las que vaya siendo viable su aplicación, según evolucionan las capacidades de esta tecnología. Esta sustitución está siendo paulatina en función del avance, por un lado, de la potencia unitaria y la robustez de los transistores y por otro lado, por las mejoras tecnológicas en el rendimiento de los amplificadores y sus métodos de combinación. En este sentido es de destacar que se están produciendo avances importantes en ambos campos. Si bien la potencia unitaria de los encapsulados se ha triplicado en los últimos 5 años desde los 350 W hasta los 1200W para operación continua, son varios los nuevos métodos de combinación que se están ensayando. A continuación se muestran los más interesantes:
Combinación directa: Se trata del sistema DirectDrive (®Siemens) que consiste en aplicar,
produciéndose la suma del campo en la propia cavidad. En la figura 2.6. puede distinguirse en color verde al conjunto de tarjetas amplificadoras que se aplican sobre la cavidad (color cobre).
Figura 2.6. Sección de cavidad y conjunto de cavidades de combinación directa de Siemens [9]
Este sistema que simplifica la combinación y reduce las pérdidas por este concepto, está aún muy limitado en niveles de potencia y se utiliza básicamente en aceleradores de tipo médico de potencias limitadas.
Combinación coaxial: Este sistema utiliza combinadores coaxiales para combinar conjuntos de
tarjetas amplificadoras como la que se muestra en la figura 2.7. (centro). La combinación en este tipo de sistemas requiere completa simetría, ya que no se utiliza compensación de impedancia. Este aspecto complica enormemente el diseño mecánico y reduce la compacidad, como puede verse en la figura.
Figura 2.7. Componentes de un amplificador de RF de estado sólido de alta potencia [10]
En la misma figura (derecha), se puede apreciar el tamaño que se requiere para un amplificador de 150 kW y 352 MHz, (la altura del conjunto supera los 3 metros) debido al elevado volumen del sistema de combinación. En la actualidad, este es el sistema más avanzado que se encuentra ya operativo y es el modelo que ha de seguirse si se opta por el estado sólido, en el diseño alternativo de los amplificadores de IFMIF.
Combinadores de cavidad: muy recientemente se ha comenzado a estudiar el retorno a otros
conceptos que resultaban inviables con la tecnología de tubos de vacío pero que se ven potenciados por la modularidad de las aplicaciones en estado sólido. Este sistema consiste en alimentar a una cavidad resonante intermedia con un número determinado de amplificadores de estado sólido y por otra parte extraer la suma de potencia por otro acoplador. Con este sistema se consigue una enorme compacidad, permitiendo un aumento considerable de la potencia específica de cada cavidad. En la figura 2.8. se muestra un modelo 3D del dispositivo en el que se puede apreciar el alto número de tarjetas amplificadoras que se pueden combinar en un espacio reducido, ya que el combinador cabe en un cubo de un metro de lado.
Figura 2.8. Modelo 3D y campos magnético y eléctrico en el combinador [11]
En la misma figura se presentan las simulaciones electromagnéticas en las que se aprecian los campos magnético (izquierda) y eléctrico (derecha) en la cavidad combinadora. En esta vista también pueden verse los acopladores de entrada (lazos) y el de salida a guía de onda rectangular.
2.2
Disponibilidad. Técnicas de RAMI
En este apartado se presentan los principios básicos del análisis de disponibilidad según las técnicas utilizadas en el estudio de RAMI (Reliability, Availability, Maintenability and Inspectability o
lo que es lo mismo fiabilidad, disponibilidad, mantenibilidad e “inspeccionalidad”) del Sistema de RF, en el marco del estudio general llevado a cabo para todo IFMIF.
El propósito del diseño orientado a RAMI, es establecer un procedimiento de interacción entre los analistas de RAMI y los diseñadores de los distintos componentes, para la mejora continuada de la disponibilidad del sistema complejo, por medio de la identificación de los aspectos mejorables de cada subsistema, así como del conjunto y su modo de operación. En este apartado se definirán los conceptos básicos de RAMI, sus interrelaciones y formulaciones fundamentales y finalmente, se aplicarán los mismos, al caso de los aceleradores de IFMIF y en concreto al Sistema de RF.