Sviluppo di un prototipo di acceleratore elettrostatico modulare
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Istituto
Università
Nazionale
degli Studi
di Fisica
di Padova
Nucleare
Sviluppo di un prototipo di acceleratore elettrostatico modulare
P. Antonini, E. Borsato, G. Carugno, F. Dal Corso, A. Facco, C. Fanin, C. S. Gallo, A. Galatà,
R. Gobbo, L. La Torre, F. Montecassiano, M. Pegoraro, M. Poggi e P. Zotto
18.9.2020
Stato dell’arte
Acceleratori elettrostatici:
basati sugli schemi di van
de Graaf o Cockcroft-
Walton
~
- generazione di HV su un - mancanza di scalabilità: la
⇨
terminale tensione massima non è
- distribuzione della tensione aumentabile
agli elettrodi tramite divisione - la rottura di qualsiasi elemento
resistiva provoca il blocco dell’acceleratore
2
Approccio modulare
La scalabilità si può ottenere solo se si rende possibile la
connessione in serie di moduli identici (o quasi) per cui
l’energia può essere aumentata aggiungendo moduli
I moduli devono essere
elettricamente flottanti, in modo
da potersi riferire al potenziale
del precedente: ottenibile con
l’induzione elettromagnetica
“Nested High Voltage Generator” *
Modularità non significa
necessariamente scalabilità ⇨ - è modulare, ma non scalabile
- non risolve il problema del
blocco per fare riparazioni
3
* https://ppmpower.co.uk/downloads/products/a-compact-nested-high-voltage-generator.pdf
Alimentazione ottica
L’indipendenza dal potenziale di riferimento può essere
ottenuta trasferendo energia con un accoppiamento ottico
• Lasers (4 da 3W a 808nm) accoppiati in fibra
• Celle fotovoltaiche GaAs a concentrazione
• Le celle fotovoltaiche forniscono tutta la
potenza necessaria
• Scheda di controllo indirizzabile da remoto
via fibra ottica
• Moltiplicatore Cockcroft-Walton (100kV)
• Retroazione per la stabilizzazione
4
Connessione
Alimentatori HV
Fibre
Blocco
tubo
acceleratore
Connessione in serie
fra alimentatori HV
L’approccio consente di produrre
un sistema modulare e scalabile
Inoltre in caso di rottura
l’alimentatore è cortocircuitabile
5
Performance (1)
Linear Fit for: 4 dischi | Tensione Flashover voltage
350 450
HV = mp+b
Number of entries / 5V
m (Slope): 129.5 kV/bar
300 b (Y-Intercept): 76.80 kV
Correlation: 0.9960
RMSE: 3.654 kV
250 400
200
350
150
Tensione (kV)
100
300
50
0
100.32 100.33 100.34 100.35 100.36 100.37 100.38 100.39 100.4 250
Output Voltage (kV)
200
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
pressione (bar)
Ottenuti 100kV - 12µA per modulo (9.5µA disponibili)
Stabilizzazione > 0.1% @ 100kV
Verifica della connessione in serie
Parametri significativi di ciascun modulo monitorati ( 380kV con 4 moduli in N2/ CO2
continuamente (80/20) a 2.4 bar)
6
P. Antonini et al., "Realization of a high voltage generator by series connection of floating modules", Review of Scientific Instruments 88, 025113 (2017)Performance (2)
183.9
183.85
3 moduli - CO2 a 1bar 185.95 3 moduli - CO2 a 1.8bar
185.9
183.8
Output voltage (kV)
185.85
Output voltage (kV)
183.75
185.8
183.7
183.65 185.75
183.6 185.7
183.55
185.65
185.6
183.5
183.45
185.55
183.4
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Time (s) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
Time (s)
99.8 1 modulo - liquido a 1bar
È ovviamente necessario Output Voltage (kV)
utilizzare un dielettrico fra i moduli 99.6
99.4
La mancanza della distribuzione
99.2
resistiva permette l’utilizzo di
liquidi a pressione atmosferica 99
invece di gas ad alta pressione 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Time/9s 7Performance (3)
Gas - 10.9 Gohm load
Liquid - 40 Gohm load
300
10 20 30
L’efficienza si riduce a causa di correnti di perdita (~2.5μA @
HV (kV) 100kV) assenti nel gas.
Current (nA)
200
Il confronto fra i due casi mostra che usando il liquido si ha una
La corrente di perdita obbedisce
ad una legge di scala empirica condizione equivalente a un carico da 10.9GΩ, inclusivo dei 40GΩ
( Vd )
100 2 B della retroazione, per cui il liquido corrisponde all’introduzione di un
i=A carico resistivo di circa 15GΩ in parallelo alla retroazione
0
Conseguenza immediata la riduzione da 9.5μA a 7μA della
10 30 50 70 90 massima corrente sostenibile
V /d (kV /mm)
8
P. Antonini et al., "Comparison of the Performance of a High Voltage Generator Insulated by Gas or Liquid Dielectric", Rev. Sci. Instrum. 91, 074712 (2020)Implementazioni
Single-ended
Tandem
9Particolari costruttivi
flange(plexiglas)
elettrodi (alluminio tubo (plexiglas) vetro
verso
altri supermoduli verso
e la sorgente l’utente
modulo 2 modulo 1
tubo accelerante tubo accelerante
Il tubo (in plexiglas) è protetto da porzioni cilindriche di vetro (eventualmente al piombo)
- riduzione dei raggi X sul plexiglas
- vuoto differenziale: il degasaggio resta confinato nell’intercapedine fra vetro e tubo
Connessione in serie
Contatto a molla fra moduli
Elettrodo interno
Tubo in plexiglas
L’elettrodo è molto esteso (40 cm) e porzionato (3 elementi)
Elettrodo esterno - permette rimozione e sostituzione del singolo modulo
- funge da radiatore della potenza dissipata sulle celle
Viti di connessione
fotovoltaiche (~6W per modulo)
fra elettrodo interno Base in alluminio
ed esterno del disco dell’alimentatore
(annegate in resina)
10Stato della produzione (1)
• Moduli acceleratore:
materiale disponibile;
assemblaggio dopo
trattamento anti-
degasaggio
modulo
•
stripper
Soffietti di collegamento
con sorgente e utente: contenitore esterno
prodotti
Supermodulo 2 Supermodulo 1
• Stripper: disegno in
corso verso
la sorgente verso
l’utente
• Dischi finali: prototipo
assemblato e provato;
produzione in corso
• Contenitore esterno:
progettazione in corso 11Stato della produzione (2)
Modulo del tubo acceleratore Disco di alimentazione
12Prova di accelerazione
Particelle α da sorgente tripla
Plutonium Americium Curium
(Pu-Am-Cm) accelerate in un
0V 48kV 60kV tubo immerso in campo elettrico
generato da 4 dischi connessi in
Entries (arbitrary units)
serie e immersi in aria
5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6
Energy (MeV)
E nominale E interpolata Differenza
Radionuclide all’emissione (keV) (keV)
(keV)
Pu-239 5105 5225.04 ± 3.01 120.04
5153* 5273.98 ± 1.68 118.98
Am-241 5388
5443 5564.84 ± 3.59 121.84
5486 5604.33 ± 0.76 118.33
Cm-244 5763 5882.46 ± 3.72 119.46
5805 5922.11 ± 1.47 117.11
13Riassunto
La generazione di alta tensione tramite connessione in serie di
moduli alimentati otticamente, rispetto alla divisione resistiva,
- permette la scalabilità (upgrade o downgrade di energia)
dell’acceleratore con aggiunta o rimozione di moduli
- permette di cortocircuitare un elemento in caso di suo
malfunzionamento/rottura
- semplifica il controllo dell’acceleratore (normalmente fatto con un
solo elettrometro RVM al terminale HV) mediante metodi di
retroazione migliorandone sensibilmente la stabilità
- rende possibile l’utilizzo di un liquido dielettrico come isolante,
permettendo l’operazione a pressione atmosferica, in quanto
l’effetto delle correnti di dispersione viene automaticamente
compensato dal sistema di controllo
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