Etude et développement d'un coupleur de puissance pour les cavités supraconductrices destinées aux accélérateurs de protons de haute intensité

par Mehdi Souli

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Daniel Gardès.


  • Résumé

    Le coupleur de puissance utilisé pour les cavités supraconductrices de la section haute énergie du Linac de EUROTRANS doit transférer 150kW de puissance RF au faisceau de protons. Les pertes RF par effet Joule et diélectriques dans les différents éléments du coupleur (conducteur interne, conducteur externe et fenêtre)opérant à cette puissance sont relativement élevées. Par conséquent, il est nécessaire de le refroidir efficacement afin d’assurer un fonctionnement stable et fiable du système d’accélération (coupleur-cavité). Après avoir évaluer toutes les pertes dans le coupleur, les calculs thermiques et les résultats des simulations numériques ont permis de dimensionner et valider le circuit de refroidissement du conducteur interne. Nous avons également conçu, dimensionné et optimisé le circuit de refroidissement du conducteur externe en spécifiant ses caractéristiques hydrauliques et thermiques. Ensuite, nous avons mis en œuvre et réalisée avec succès une expérience dédiée à l’étude de l’interaction thermique entre la cavité et le coupleur de puissance. Le principal résultat de cette expérience est la mesure expérimentale de la charge thermique critique que peut supporter la cavité sans dégradation sensible de ses performances RF. La valeur de la charge thermique critique, qui est comprise entre 3W et 5W, mesurée constitue un critère essentiel pour qualifier les performances de l’échangeur du conducteur externe qui utilise l’hélium supercritique comme fluide réfrigérant. Enfin, une station d’essai, destiné à la qualification de l’échangeur du conducteur externe dans des conditions similaires à celles de son fonctionnement dans le cryomodule, a été conçue et réalisée avec succès. Les résultats expérimentaux ont montré les excellentes performances thermiques de l’échangeur pour un fonctionnement à une puissance RF de l’ordre de ~750W soit plus que cinq fois la puissance RF nominale de 150kW. En effet, le flux résiduel maximum mesuré pour une charge thermique de 127W, simulant les pertes RF dans le coupleur, est de 60mW. Par ailleurs, la comparaison entre les températures mesurées et calculées à l’aide d’un modèle thermique 2D axisymétrique a permis d’identifier un coefficient d’échange global pour différents débits. Enfin, une étude expérimentale préliminaire sur les instabilités thermohydrauliques de l’hélium supercritique, a été menée. Ainsi nous avons pu établir un diagramme de stabilité basé sur des paramètres adimensionnels. Ce diagramme montre clairement que nos données expérimentales sont en accord et complètent les données d’autres expériences similaires.

  • Titre traduit

    Study and development of a power coupler for superconducting cavities dedicated to high intensity protons accelerators


  • Résumé

    The coaxial power coupler needed for superconducting RF cavities used in the high energy section of the EUROTRANS driver should transmit 150kW (CW operation) RF power to the protons beam. The calculated RF and dielectric losses in the power coupler (inner and outer conductor, RF window) are relatively high. Consequently, it is necessary to design very carefully the cooling circuits in order to remove the generated heat and to ensure stable and reliable operating conditions for the coupler cavity system. After calculating all type of losses in the power coupler, we have designed and validate the inner conductor cooling circuit using numerical simulations results. We have also designed and optimized the outer conductor cooling circuit by establishing its hydraulic and thermal characteristics. Next, an experiment dedicated to the study the thermal interaction between the power coupler and the cavity was successfully performed at CRYOHLAB test facility. The critical heat load Qc for which a strong degradation of the cavity RF performance was measured leading to Qc in the range 3W-5W. The measured heat load will de considered as an upper limit of the residual heat flux at the outer conductor cold extremity. A dedicated test facility installation was developed and successfully operated for measuring the performance of the outer conductor heat exchanger using supercritical helium as coolant. The test cell used reproduces the realistic thermal boundary conditions of the power coupler mounted on the cavity in the cryomodule. The first experimental results have confirmed the excellent performance of the tested heat exchanger. The maximum residual heat flux measured was 60mW for a 127W thermal load. As the RF losses in the coupler are proportional the incident RF power, we can deduce that the outer conductor heat exchanger performance is confirmed up to 800kW RF power. Heat exchanger conductance has been identified using a 2D axisymetric thermal model by comparison between experimental and computer temperatures, a last part of our work has been dedicated to a preliminary study of thermohydraulic behaviour of supercritical helium observed during the experiment. Then we have established a stability diagram based on dimensionless parameters. This diagram shows a good agreement between our data and those of previous similar experiments.

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  • Détails : 1 vol. (260 p.)
  • Annexes : Bibliogr. en fin de chapitres

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  • Cote : 2007/SOU
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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 0g ORSAY(2007)157
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