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PLIEGO DE PRESCRIPCIONES TECNICAS PARTICULARES “DISEÑO
DE RESONADORES DOBLE SPOKE
(DSR) A 352 MHz EQUIPADOS
CON SUS CAMISAS DE HELIO”
EXPEDIENTE: 316/11
CONSORCIO ESS BILBAO.
Parque Tecnológico Bizkaia
Laida Bidea, Edificio 207 B Planta Baja. 48160 Derio (España)
Teléfono: +34 94 607 66 20
Fax: +34 94 607 66 21
1. INTRODUCCION
El objeto de este documento es definir las tareas a realizar para el proyecto
“Diseño de resonadores doble spoke a 352 MHz con sus camisas de helio
correspondientes”.
Las cavidades resonantes “doble spoke” (a partir de ahora DSR o simplemente
“spokes”) son un tipo de cavidad superconductora que ha recibido en los
últimos años una notable atención entre los especialistas en aceleradores de
partículas. Por ejemplo, este tipo de cavidades es el que se utilizará en la
primera etapa superconductora del acelerador de ESS-SE, y se han construido
prototipos en IPN Orsay, Argonne National Lab, y otros centros punteros en
aceleradores. Un dibujo del aspecto que tiene estas cavidades se presenta en
la figura 1.
El acelerador lineal del Consorcio ESS-Bilbao contará con una etapa
superconductora después de la etapa formada por los elementos aceleradores
RFQ y DTL, que operan a temperatura ambiente. La etapa superconductora
utiliza cavidades realizadas en materiales que son superconductores a baja
temperatura (a la temperatura del helio líquido, 4 K), de forma que las pérdidas
de potencia disipada en la pared de la cavidad es mucho más baja que en
materiales convencionales (cobre), pudiendo así acelerar las partículas de
forma más eficiente.
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Las cavidades superconductoras son elementos habituales en muchos
aceleradores tanto de electrones como de iones ligeros y pesados.
Normalmente, las cavidades usadas son del tipo elíptico (múltiples celdas
elípticas acopladas) o de otros tipos como los resonadores cuarto de onda.
Aunque existen prototipos fabricados para tests en laboratorio, las cavidades
tipo spoke nunca han sido utilizadas en aceleración, aunque hay planes para
utilizarlos a corto plazo, como el Project-X de Fermilab. Estas cavidades spoke
ofrecen ciertas ventajas frente a otras cavidades superconductoras, ya que las
barras internas (las “spoke” propiamente dichas) contribuyen a la rigidez
mecánica de las cavidades, lo que facilita su operación. El trabajo realizado
hasta ahora en este tipo de cavidades ha sido por tanto a nivel de laboratorio.
Figura 1: Ejemplo de Cavidad DSR (con transparencias) en el que se aprecia la geometría
delas barras spoke (radios).
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ESS-Bilbao va a construir, como primer paso en las labores de I+D de la etapa
superconductora del acelerador, unos prototipos de estas cavidades para
probarlas en funcionamiento en el acelerador lineal. Estas pruebas contribuirán
a los trabajos a realizar para la etapa superconductora definitiva del acelerador.
Esta tarea es un proyecto de investigación y desarrollo muy ambicioso, ya que
involucra no solo el diseño y fabricación de las cavidades en niobio, sino
también las correspondientes camisas de helio para las cavidades y los
sistemas de sintonización de frecuencia y acoplamiento de potencia. El
proyecto involucra tareas de diseño electromagnético, mecánico, fabricación en
niobio y tecnología criogénica.
El proyecto al que se refiere el presente documento de especificaciones
técnicas tiene como objeto iniciar las labores de investigación que culminarán
con la fabricación de las cavidades. Este proyecto se centra en el diseño de las
cavidades, su camisa de helio, el sistema de acoplamiento de potencia y las
especificaciones técnicas del material con el que se fabricarán. En futuros
contratos a lanzar se acometerá el acopio de material y la fabricación,
tratamientos superficiales y pruebas de las cavidades.
2.
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LOS TRABAJOS A REALIZAR
2.1
TAREAS A REALIZAR
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El trabajo a realizar consiste en la ejecución de las siguientes tareas, cuya
descripción detallada aparece más adelante:
-1) Diseño de las cavidades
-2) Diseño de acopladores de potencia y camisa de helio
-3) Cálculos mecánicos preliminares
-4) Especificaciones del niobio
2.2
DEFINICIÓN TÉCNICA DE LAS DISTINTAS TAREAS A REALIZAR
Tal y como se indicó en la introducción, las tareas se refieren al diseño de
cavidades DSR resonantes a 352.2 MHz y optimizadas para partículas con
velocidad beta=0.501 (beta óptima). Las tareas que comprenden este proyecto
son las siguientes:
1) Diseño de las cavidades
Esta tarea se refiere al diseño electromagnético a alta frecuencia (RF) de las
cavidades. Debido a que las cavidades deben ser compatibles con las del
proyecto ESS, el diseño debe cumplir o mejorar las especificaciones del
mismo, indicadas en la tabla 1. Estos parámetros son preliminares y
orientativos y pueden verse modificados antes del inicio del contrato.
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Esta tarea debe realizarse haciendo uso de herramientas de diseño
electromagnético (COMSOL, HFSS, CST, Ansys,...) y diseño CAD (SolidWorks
o similares).
Tipo de cavidad
Double Spoke Resonator
Frecuencia
352.2 MHz
Beta óptima
0.501
Gradiente acelerador
8.5 MV/m
Q0 (campo bajo)
5·109
Campo electrico sup.
4.1
Máximo (Es/E0)
Campo magnético sup.
9.0 mT/MV/m
Máximo (Bs/E0)
Apertura
50 mm
Puerto acoplador
56 mm
Tabla 1. Características orientativas de los resonadores a diseñar.
Serán elementos entregables de esta tarea los modelos 3D CAD del diseño
resultante en formato nativo del programa 3D utilizado para diseñarlas, así
como en un formato estándar de intercambio de diseños 3D (step o stl).
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También los ficheros fuentes de los programas de simulación EM utilizados (de
entre los arriba citados) con los que se han calculado las características RF de
las cavidades. Por último será necesario entregar un informe detallado de las
tareas realizadas y de las caracterización del diseño desarrollado.
El diseño final será el resultado de un proceso de iteración entre el
adjudicatario y ESS-Bilbao hasta que se consigan las características óptimas
de la cavidad.
2) Diseño preliminar de los puertos de acopladores de potencia y las camisas
de helio
Partiendo del diseño de cavidad anteriormente definido, se definirán las
características de los puertos para los acopladores de potencia, incluyendo el
diseño y cálculos RF asociados de las condiciones de acoplamiento, desintonización, etc.
También se realizará un diseño preliminar de la camisa de helio de la cavidad,
incluyendo sus dimensiones generales, espesor y tipo de material, conexión
con el sistema de tuning, y otros detalles asociados.
Como resultado entregable de esta tarea se emitirán informes técnicos, así
como modelos en 3D en las mismas condiciones que las de la tarea 1, que
incluyan los modelos de la cavidad con los puertos abiertos.
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3) Cálculos mecánicos preliminares
Se realizarán cálculos mecánicos preliminares de la cavidad, teniendo en
cuenta las sensibilidad a desplazamientos y tensiones en las condiciones de
vacío, así como la rigidez de la cavidad y la camisa de helio, teniendo en
cuenta que la operación de la cavidad será pulsada.
También se deben realizar cálculos de modos de vibración, así como el
resultado del espesor óptimo de las paredes de niobio.
Se entregarán los informes técnicos que sean necesario con los resultados
pedidos.
4) Especificaciones del niobio
Como resultado de las tareas anteriores, se debe suministrar una
especificación escrita de las especificaciones de niobio necesarias para
acometer la fabricación de la cavidad. Estas especificaciones deben ser
suficientes para que ESS-Bilbao acometa más adelante el proceso de acopio
de material correspondiente a la fabricación de las cavidades.
Deben incluirse no solo características del material (espesor, calidad, etc) sino
también todo las demás características de un contrato de adquisición de
material de este tipo: definición de controles intermedios durante la fabricación,
procedimientos de recepción y control de calidad.
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El entregable de esta tarea es, por tanto, el informe de especificaciones de
niobio descrito.
2.3. FORMATO DE LA DOCUMENTACION A ENTREGAR
Cada uno de los items referidos en el anterior apartado dará lugar a un
informes detallado conteniendo una descripción de las tareas llevadas a cabo.
Tales informes han de contener toda la documentación relevante (esquemas,
planos, fotografías, referencias, etc.).
En el caso de diseños en detalle de equipamiento, ha de suministrarse copia en
soporte SolidWorks o software 3D similar, así como los modelos en formato
estándar de intercambio (step o stl). En el caso de las simulaciones RF, se
entregarán también los ficheros fuentes de las simulaciones realizadas sobre el
diseño definitivo de la cavidad en formato nativo del programa utilizado (HFSS,
CST,...).
3. PLAZO DE EJECUCIÓN Y ENTREGAS
El plazo de ejecución será de 3 meses. Puesto que la interacción será
constante y fluida con ESS-Bilbao, no se establecerán plazos máximos de
entrega para cada una de las tareas.
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4. OTRAS CONDICIONES
La empresa oferente describirá los sistemas de control y seguimiento que
utilizará para garantizar la correcta ejecución del contrato (reuniones,
videoconferencias,...), así como para asegurar una información puntual del
desarrollo de los trabajos y de las incidencias que puedan producirse.
5. DOCUMENTACIÓN TÉCNICA
La documentación técnica que se presenté de acuerdo a los plazos detallados
en el punto 3 del presente documento deberá ser firmada por el representante
de la empresa.
En el sobre de documentación técnica, se incluirá una copia de dicha
documentación en CD. Los ficheros tendrán el formato PDF, MS-WORD, ODT
o LaTeX.
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