Study and Development of Solid-State High Power RF Sources for Synchrotron Light Sources

Abstract

Os tubos à vacuo ou válvulas são a solução padrão utilizada na geração de RF (radio frequência) a níveis de potência muitos altos (kW a MW) em aplicações em aceleradores de partículas. Recentes avanços tecnológicos deram origem a novos tipos de semicondutores que se tornaram competitivos e economicamente viáveis para estas aplicações. Devido ao fato de os tubos à vacuo virem, com o passar do tempo, se tornando menos disponíveis comercialmente e por consequência mais caros, a substituição por semicondutores têm se tornado uma alternativa viável. Diferentes topologias de acquisição de dados e controle de amplificadores de potência de RF serão aqui estudadas com o objetivo de obter alta potência de RF de dispositivos semicondutores do atual estado da arte. A combinação e a repartição de potência são técnicas fundamentais nos casos de utilização da tecnologia dos semicondutores na geração de alta potência de RF devido à limitação do nível de potência máxima de RF que cada transistor é capaz de fornecer. Essas técnicas serão avaliadas para que níveis de potências acima de dezenas de kilowatts com eficiências comparáveis ou melhores que as obtidas com tubos à vacuo possam ser obtidos com semidondutores. Diferentes técnicas de optimização serão estudadas e implementadas. Tais técnicas de optimização levarão ao aprimoramento das efficiências total e de combinação de tal modo que a efficiência do systema completo poderá alcançar valores comparáveis ou melhores aos valores de efficiência comumente obtidos por tubos à vacuo e levar á um aumento na confiabilidade devido à redução das perdas com a consequente redução dos requisitos de potência de funcionamento e dos custos operacionais e de manutenção. Técnicas de monitoração serão estudadas e desenvolvidas as quais permitirão a acquisição de dados e a medição dos parâmetros mais importantes de amplificadores de potência de RF. Implementações mais económicas e industrialmente viáveis dessas técnicas de medidas serão explanadas. Essas técnicas são um requisito fundamental para a realização das técnicas de optimização aqui propostas.

Vacuum Tubes are the standard solution used in the generation of RF (Radio Frequency) at very high power levels (kW to MW) for applications in particle accelerators. New technological breakthroughs have made new types of solid-state devices competitive and cost effective for those applications. As Vacuum Tubes become less available and consequently more expensive, the solid-state replacement has become a viable alternative. Different amplifier and data acquisition/control topologies will be studied in order to obtain high RF power from the state of the art Solid-State devices. Power combination and splitting techniques are fundamental when applying the solid-state technology due to the limited RF power that each transistor can deliver. These techniques will be evaluated to allow power levels in excess of tens of kilowatts with efficiencies comparable to the ones obtained from Vacuum Tube devices to be achieved. Different optimization techniques will be studied and implemented. Such optimization tech- niques will allow overall and combining efficiencies to be improved so that final ”wall-plug” efficiencies will be able to reach values comparable or better than the values commonly obtained by vacuum tubes and will lead to an increase in reliability due to the reduced operational losses and a consequent reduction in the system operating power requirements, operating costs and maintenance. Monitoring techniques will be studied and developed to allow the acquisition and measure- ment of the most important parameters of RF amplifiers. More economically and industrially viable implementation of these measurement techniques will be explained. These techniques are a fundamental requirement for the realization of the proposed optimization techniques.