[논문 리뷰] High-Power Testing of the APT Power Coupler

E. N. Schmierer, K.C.D. Chan외 8명|ArXiv.org|2000. 08. 15.

Particle accelerators and beam dynamics참고 문헌 3인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 초전도성 공진기로 연속파 RF 전력 최대 210kW를 전송하도록 설계된 700MHz 동축 커플러인 APT(가속기 탄소 생성기) 전력 커플러의 고출력 테스트를 제시한다. 테스트 결과, 1MW의 입력 전력에서 안정된 작동이 확인되었고, 커플러가 500kW 이상을 전달할 수 있음을 입증하여 기준 설계 목표를 420kW로 상향 조정하게 되었으며, 외부 도체를 액체 질소로 냉각하는 극한 조건에서도 견고한 성능을 입증하였다.

ABSTRACT

For the baseline APT (Accelerator Production of Tritium) linac design, power couplers are required to transmit 210-kW of CW RF power to the superconducting cavities. These APT couplers operate at 700 MHz, have a coaxial design and an adjustable coupling to the superconducting cavities. Since May 1999, we have been testing couplers of this design on a room-temperature test stand. We completed tests at transmitted-power and reflected-power conditions up to 1 MW. We also tested the couplers with a portion of the outer conductor cooled by liquid nitrogen. Under this latter condition, we studied the effects of condensed gases on coupler performance. The results of these tests indicate that the APT couplers are capable of delivering more than 500 kW to the cavities. We are in the process of increasing the baseline coupler design requirement to 420 kW of transmitted power to take advantage of this successful development. In this paper, we describe the results of our high-power coupler tests.

연구 동기 및 목표

• APT 전력 커플러의 고 RF 전력 조건 하에서의 성능과 신뢰성을 검증하기 위해.
• 외부 도체를 액체 질소로 냉각할 경우 응축된 기체가 커플러 작동에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• APT 라인에서 사용하기 위한 커플러 설계의 최대 전력 처리 능력을 규명하기 위해.
• 테스트 결과를 바탕으로 기준 전력 요구사항을 210kW에서 420kW로 상향 조정할 수 있는지 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 초전도성 공진기와의 커플링 조절이 가능한 프로토타입 APT 커플러를 사용하여 실온 테스트 스탠드에서 고출력 RF 테스트를 수행하였다.
• 입력 전력 수준을 최대 1MW까지 적용하고 반사 전력 측정을 통해 임피던스 안정성과 커플링 효율을 평가하였다.
• 외부 도체의 일부를 액체 질소로 냉각하여 냉각 조건을 시뮬레이션하고 열적 및 기체 응축 효과를 연구하였다.
• 온도, 전압 정상파비(VSWR), 표면 가열을 모니터링하여 열적 및 전기적 성능을 평가하였다.
• 정밀하게 튜닝된 커플링 메커니즘을 갖춘 동축 설계를 사용하여 다양한 전력 수준에서 안정된 작동을 유지하였다.
• 실온 및 냉각 조건에서의 전력 처리 능력, 파손 임계값, 열적 거동 데이터를 기록하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 APT 전력 커플러는 700MHz에서 연속파 RF 전력 210kW를 운영 조건 하에서 신뢰성 있게 전달할 수 있는가?
• RQ2 외부 도체를 액체 질소로 냉각할 경우 커플러의 성능과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 응축된 기체가 커플러 내부의 RF 커플링과 전력 처리 능력에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 파손이나 불안정성이 발생하기 전까지 커플러가 견딜 수 있는 최대 지속 가능한 RF 전력 수준은 얼마인가?
• RQ5 테스트 결과에 따라 제안된 420kW의 더 높은 전력 목표를 커플러 설계가 지원할 수 있는가?

주요 결과

• APT 전력 커플러는 반사 전력이 극히 적은 상태에서 1MW의 입력 RF 전력으로 안정적으로 작동하여 우수한 임피던스 일치성과 안정성을 입증하였다.
• 액체 질소로 냉각된 외부 도체 조건에서도 커플러는 안정된 성능을 유지하였지만, 응축된 기체가 커플링 거동에 영향을 미치는 것으로 관찰되었다.
• 커플러는 공진기에 500kW 이상의 RF 전력을 전달할 수 있음을 입증하여 기준 210kW 요구사항을 크게 초과하였다.
• 고출력 테스트 기간 동안 파손이나 열적 고장이 발생하지 않아 극한 조건에서도 설계의 견고함을 확인하였다.
• 결과는 420kW의 전송 전력 기준으로의 설계 업그레이드를 뒷받침하였으며, APT 라인 시스템의 효율성을 높이는 데 기여하였다.
• 조절 가능한 커플링 메커니즘이 다양한 전력 및 열 조건에서 성능을 효과적으로 유지하여 실제 응용 분야에서의 활용 가능성을 입증하였다.