[논문 리뷰] Testing and Implementation Progress on the Advanced Photon Source (APS) Linear Accelerator (Linac) High-Power S-band Switching System

A. Grelick, N. Arnold외 9명|arXiv (Cornell University)|2000. 08. 18.

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers참고 문헌 4인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고출력 S밴드 파이프 전환 시스템의 설계, 시험 및 구현에 대해 서술하며, 앤서티드 포톤 서큘레이터(APS) 선형 가속기에서 35MW 최대 출력을 안정적으로 구동할 수 있도록 하며, 열교환 가능한 클라이스트론 서브시스템을 지원한다. 주요 결과로는 테이퍼드 전이와 SF6 정화를 통해 WR340 파이프 전환기가 43MW에서 성공적으로 작동했으며, 52dB의 반사 손실을 가지는 조절 가능한 윈도우 설계가 이루어져 FEL 및 LEUTL 운영의 신뢰성을 향상시켰다.

ABSTRACT

An S-band linear accelerator is the source of particles and the front end of the Advanced Photon Source injector. In addition, it supports a low-energy undulator test line (LEUTL) and drives a free-electron laser (FEL). A waveguide-switching and distribution system is now under construction. The system configuration was revised to be consistent with the recent change to electron-only operation. There are now six modulator-klystron subsystems, two of which are being configured to act as hot spares for two S-band transmitters each, so that no single failure will prevent injector operation. The two subsystems are also used to support additional LEUTL capabilities and off-line testing. Design considerations for the waveguide-switching subsystem, topology selection, control and protection provisions, high-power test results, and current status are described

연구 동기 및 목표

• 35MW 최대 출력을 처리할 수 있는 신뢰성 있는 고출력 파이프 전환 시스템을 APS 선형 가속기용으로 개발하기.
• L1/L2 및 L4/L5에 대응하는 L3 및 L6 클라이스트론 서브시스템을 비상용으로 사용하여 핫스왑 기능을 구현함으로써 시스템 가용성을 확보하기.
• 상용 WR284 전환기에서 발생하는 고장 문제를 해결함으로써 고출력에서의 파이프 전환기 신뢰성을 향상시키기.
• 고려된 조립 허용 오차를 감안하여 고반사 손실(≥40dB)을 유지할 수 있는 후조정 기능이 있는 신규 WR340 파이프 윈도우를 설계하고 시험하기.
• 안전하고 모드 기반의 작동을 보장하기 위해 유연한 PLC 기반 인터락 및 제어 시스템과 통합하기.

제안 방법

• SLAC에서 고출력 시험을 통해 비타이어드 전이(비타이어드 전이)를 사용하여 비타이어드 전이에서 발생한 전계 집중 문제를 해결함.
• 30PSIG 압력으로 SF6로 압력 조절된 재가공된 WR340 파이프 전환기를 사용하여 고출력 시험을 실시하여 최대 43MW까지 안정적인 작동을 달성함.
• 가스 순도를 유지하고 고장 위험을 줄이기 위해 SF6 정화기-탈수 장치 시스템을 구현함.
• 조립 허용 오차를 감안하여 고반사 손실(≥40dB)을 유지할 수 있도록 후조정 기능이 있는 조절 가능한 파이프 윈도우를 설계함.
• 실시간 스위치 위치 모니터링 및 안전 인터락 제어를 위해 인터락 캐비닛에 프ogrammable logic controllers(PLCs)를 구현함.
• PLC 간의 이산적 메시징 및 고수준 메시징을 사용한 새로운 인터락 아키텍처를 통합하여 고장 탐지 및 운영 안전성을 확보함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적절한 전이 설계와 SF6 정화를 통해 WR340 파이프 전환기는 35MW 최대 출력에서 신뢰성 있게 작동할 수 있는가?
• RQ2 테이퍼드 전이와 가스 정화를 적용한 재가공된 WR340 파이프 전환기의 최대 신뢰성 있는 작동 출력은 얼마인가?
• RQ3 실제 조립 허용 오차 하에서 braze 후에도 반사 손실 >40dB를 유지할 수 있는 맞춤형 조절 가능한 파이프 윈도우는 가능한가?
• RQ4 PLC 기반 제어 시스템은 동적 인터락 논리로 안전하고 모드 기반의 스위칭을 보장할 수 있는가?
• RQ5 가스 정화는 고출력 파이프 전환 시스템에서 아크 발생 및 열화를 방지하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 4개의 WR340 파이프 전환기 중 3개가 반복적인 아크가 발생하기 전까지 43MW 이상에서 성공적으로 작동하여 설계가 35MW를 초월하는 능력을 확인함.
• 4번째 전환기는 정화 과정 중 심각한 아크로 인해 열화되어 초기 고장 이벤트에 민감함을 시사함.
• 전기 도금된 테이퍼드 전이를 사용함으로써 이전 비타이어드 WR284-to-WR340 전이에서 발생한 전계 집중 문제를 완전히 제거함.
• 프로토타입 조절 가능한 파이프 윈도우는 브레이징 이전에 52dB의 반사 손실을 달성했으나, 조립 압력에 대한 민감도로 인해 브레이징 후 조절 메커니즘의 재설계가 필요함.
• Duke 대학 FEL에서의 성공적인 작동을 통해 SF6 정화기-탈수 장치 시스템의 효과성을 입증하였으며, 향후 구현을 권장함.
• 시간 스탬프가 찍힌 고장 스택과 운영자 화면을 갖춘 PLC 기반 제어 및 인터락 시스템은 성공적으로 시험되었으며 설치에 대비됨.