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Infrastructure

High-Gradient (HG) Radio Frequency (RF) laboratory

The High-Gradient (HG) Radio Frequency (RF) laboratory allows to study and characterize the radiofrequency cavities, one of the basic elements of particle accelerators. Its performance, mainly the 3 GHz  oscillation frequency and 400 Hz of signal repetition rate makes this installation the only one of its kind in Spain.

 This instalation is designed to opérate with cavities working in the S-band, a specific área in the in the microwave region of the electromagnetic spectrum. In this band, the majority of radio frequency cavities in medical and industrial accelerators can be expected to work, also in some standars of wireless communication systems and satellites. This cavities, by design and manufacture, allow to generate strong electromagnetic fields (of High-Gradient), which obtain a capacity to accelerate particles more than 100 MV/m. Operation in this conditions will enable to achieve more compact and less expensive linear accelerators, which is essential to develop facilities for new anti-cancer treatments such as hadrontherapy.

Specifically, radiofrecuency cavities tested in this IFIC laboratory reach a energy range of 70-230 MeV for protons and 100-400 MeV for electrons. This feature enables develop new cancer therapies through heavy particles, which are depositing most of the energy in the tumor, so there is less damage to the surrounding healthy tissue. Other aplications are the acelerators tecnologyes development for futures acelerators as CLIC or International Linear Collider (ILC), with X-rays like XFEL, also in telecommunications.

The laboratory works as part of a small-scale particle accelerator. The signal is generated by two klystron-type devices that amplify the 3 GHz radio frequency signal. These devices are powered by modulators with solid-state technology capable of producing very intense electrical pulses of 150 KV and 100 A that last microseconds.

A control system developed by IFIC combines the two signals and sends them synchronized to the radio frequency cavity with a frequency of up to 400 times per second. Rectangular waveguides are used to send the signals into the cavity. Inside the cavity, ultra-high vacuum conditions as low as those of the lunar atmosphere (10-10 millibars) are reached. The laboratory can operate for weeks or months continuously, both to conduct studies and to condition the cavities, preparing them for later use.

The precision of this unique system makes it possible to measure when the signal is introduced into the cavity accurately and, if a phenomenon called RF breakdown occurs (small sparks inside the cavities due to the alteration of the material due to intense electromagnetic fields), it is also able to detect it quickly and to locate the place inside the cavity where the failure occurred. Therefore, it allows to study the phenomena of breakdown or RF breakdown, which constitutes one of the main problems when designing and build this type of cavities to reduce the size and cost of the accelerators.

Equipment

  • 2 RF amplifier equipment each one with 1 klystron powered by 1 modulator; Frec: 3 GHz, Max P: 15 MW, Max. Pulses: 400 Hz
  • Ultra high vacuum (UHV) system consisting of a turbomolecular pumping group, 6 ion bombs + NEG pumps, and 6 vacuum probes capable of reaching UHV conditions (10-9 mbar)
  • Vacuum leak detection system by Helium detector

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Infraestructura

Laboratorio de Radiofrecuencia de Alto Gradiente

El Laboratorio de Radiofrecuencia de Alto Gradiente del IFIC permite estudiar y caracterizar las cavidades de radiofrecuencia, uno de los elementos básicos de los aceleradores de partículas. Sus prestaciones, principalmente la frecuencia de oscilación de 3 GHz y la tasa de repetición de las señales de hasta 400 Hz, la convierten en una instalación única en España.

La instalación está diseñada para operar con cavidades que trabajan en la llamada banda S, un sector específico de la región de microondas del espectro electromagnético. En esta banda funcionan la mayoría de las cavidades de radiofrecuencia en aceleradores para aplicaciones médicas e industriales, así como algunos estándares de sistemas de comunicación inalámbrica y de satélites. Estas cavidades, por su diseño y fabricación, permiten generar campos electromagnéticos muy intensos (de alto gradiente), consiguiendo una capacidad de acelerar partículas de más de 100 MV/m. La operatividad en estas condiciones permitirá conseguir aceleradores lineales más compactos y de menor coste, lo que es esencial para desarrollar instalaciones para nuevos tratamientos contra el cáncer como la hadronterapia.

En concreto, las cavidades de radiofrecuencia que se ensayan en este laboratorio del IFIC consiguen un rango de energías de 70-230 MeV para protones y 100-400 MeV para electrones. Esta característica posibilita desarrollar nuevas terapias contra el cáncer con partículas pesadas, las cuales depositan la mayor parte de la energía en el tumor, afectando menos al tejido sano circundante. Otras aplicaciones son el desarrollo de tecnologías de aceleración para futuros aceleradores de partículas como CLIC o el International Linear Collider (ILC), de rayos X como XFEL, así como en telecomunicaciones.

El laboratorio funciona como parte de un acelerador de partículas a pequeña escala. La señal se genera mediante dos equipos tipo klystron que amplifican la señal de radiofrecuencia de 3 GHz. Estos equipos son alimentados por moduladores con tecnología de estado sólido capaces de generar pulsos eléctricos muy intensos de 150 KV y 100 A que duran microsegundos.

Un sistema de control desarrollado por el IFIC combina las dos señales y las envía sincronizadas a la cavidad de radiofrecuencia con una frecuencia de hasta 400 veces por segundo. Para enviar las señales al interior de la cavidad se utilizan guías de onda rectangulares en cuyo interior se crean condiciones de ultra alto vacío tan bajas como las de la atmósfera lunar (10-10 milibares). El laboratorio puede funcionar durante semanas o meses de forma continua, tanto para realizar estudios como para acondicionar las cavidades, preparándolas para su uso posterior.

La precisión de este singular sistema permite medir con exactitud cuándo se introduce la señal en la cavidad y, si se produjera un fenómeno llamado RF breakdown (pequeñas chispas en el interior de las cavidades por la alteración del material ante campos electromagné­ticos tan intensos), también es capaz de detectarlo con rapidez, pudiendo localizar el lugar del interior de la cavidad donde se produjo el fallo Por tanto, permite estudiar los fenómenos de rotura o RF breakdown, lo que constituye uno de los principales problemas a la hora de diseñar y construir este tipo de cavidades para conseguir reducir el tamaño y coste de los aceleradores.

Equipamiento

  • 2 equipos amplificadores de RF formados cada uno por 1 klystron alimentado por 1 modulador; Frec: 3 GHz, P máx.: 15 MW, Máx. Rep. Pulsos: 400 Hz
  • Sistema de ultra alto vacío (UHV) formado por un grupo de bombeo turbomolecular, 6 bombas iónicas + NEG, y 6 sondas de vacío capaz de alcanzar condiciones de UHV (10-9 mbar)
  • Sistema de detección de fugas de vacío mediante detector de Helio.
  • Sistema de control y adquisición de datos de alta velocidad.

Desde la UCIE estamos a su disposición para cualquier información  adicional sobre esta infraestructura o requerimiento a través de nuestro formulario de contacto.