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High-Gradient issues in S-band RF Acceleration Structure for Hadrontherapy accelerators and Radio Frequency Quadrupoles

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22 - Física
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High-Gradient issues in S-band RF Acceleration Structure for Hadrontherapy accelerators and Radio Frequency Quadrupoles

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dc.contributor.advisor	Gimeno Martínez, Benito
dc.contributor.advisor	Faus Golfe, Ángeles
dc.contributor.author	Vnuchenko, Anna
dc.contributor.other	Departament de Física Aplicada i Electromagnetisme	es_ES
dc.date.accessioned	2020-02-21T11:37:37Z
dc.date.available	2020-02-22T05:45:06Z
dc.date.issued	2020	es_ES
dc.date.submitted	135 p.	es_ES
dc.identifier.uri	https://hdl.handle.net/10550/73181
dc.description.abstract	La investigación de estructuras de microondas de alto gradiente en aceleradores lineales es un tema clave en instalaciones de física de altas energías, y en particular en sistemas de física médica basados en hadronterapia. Esta Tesis Doctoral se centra en el estudio de los problemas que surgen al emplear sistemas de alto gradiente en estructuras aceleradoras de radiofrecuencia no superconductoras. Uno de los efectos que aparecen durante la operación de alta potencia en estos sistemas son los arcos de vacío de RF, llamados breakdown. Esto ocurre debido a los altos campos electromagnéticos de RF que aparecen en las estructuras aceleradoras. Tales eventos tienen un impacto en el rendimiento de la estructura y en la calidad del sistema. Los breakdown generan daños en la superficie que pueden desintonizar la frecuencia de resonancia de la estructura, y en consecuencia cambiar el avance de fase entre las cavidades aceleradoras, lo cual es importante para sincronizar la estructura con el haz. El logro de un alto gradiente en las estructuras de un acelerador lineal es un tema fundamental clave en una instalación aceleradora de hadronterapia, por lo que debe ser estudiado con detalle. Tesis incluye una visión general de los aceleradores de partículas. Se presenta una introducción general de la teoría de RF y los conceptos básicos relacionados con aceleradores lineales. Se dan algunos ejemplos de los diseños de estructuras de aceleración, cuyo análisis cuyo análisis se llevó a cabo. Los principales parámetros y los problemas relacionados con el breakdown también se discuten en detalle. También se describen las ventajas que ofrece la tecnología de alto gradiente para aplicaciones médicas, junto con un resumen de las actividades actuales en el desarrollo de aceleradores lineales de terapia con hadrones. Se describen con detalle los experimentos de alta potencia en un prototipo de 3 GHz para la terapia de hadrones que se han llevado a cabo en el CERN Sbox. Las pruebas se han realizado con éxito, y se ha determinado el límite máximo de operación de un acelerador lineal en términos de los campos máximos que se pueden alcanzar. Además del acondicionamiento, se han realizado otras mediciones. Las técnicas de análisis de datos utilizadas para la localización de breakdown en esta estructura se presentan en detalle en comparación con los resultados del post-procesamiento. También se realiza una investigación estadística de los eventos de ruptura para comprender los procesos subyacentes de estos eventos. Los datos recopilados se compararon con los resultados de los prototipos de RF de la banda X de CERN-CLIC para estimar el rendimiento de la estructura. La descripción de la configuración de alta potencia, y las actualizaciones también se describen. Se presenta un primer estudio sistemático de eventos de ruptura en sistemas RFQ. Se han estudiado dos RFQ diseñadas para diferentes frecuencias y aplicaciones. Se discuten las características de diseño de estas estructuras. También se presenta el comportamiento a largo plazo de ambas RFQ. Se discuten los principales cambios observados durante los eventos de ruptura, y se propone una técnica de identificación de la ubicación de la ruptura basada en estas observaciones. Estos estudios han servido para predecir los rendimientos de la estructura. Las principales conclusiones de esta Tesis Doctoral se presentan. El objetivo final de la investigación general es comprender el fenómeno del breakdown para maximizar el rendimiento de este tipo de estructuras, y confirmar la capacidad de usar tecnologías de alto gradiente para diversas aplicaciones, especialmente en Física Médica.	es_ES
dc.description.abstract	The achievement of high-gradient in the linac structures is a key issue in design facility for high energy physics and other applications. This thesis is focused on the study of the high-gradient limitations in the normal-conducting radio-frequency accelerating structures. One of the effects that could appear during high power operation of the accelerating structures is the RF vacuum arcs or breakdowns. This occurs due to the high electromagnetic fields in the structure. Such events have an impact on the structure performance and the quality of the accelerated beam. Breakdowns lead to surface damage that can detune the resonant frequency of the structure and change the phase advance between cells which is important for synchronizing the structure with the beam. Therefore, this phenomenon requires a detailed study on the dedicated developed systems. A general introduction of the RF theory and the basic concepts related to linear accelerators is given in this thesis. Some examples of the accelerating structure designs are given, the analysis of which will be carried out in subsequent chapters. The main limiting quantities and the issues related to RF breakdown phenomena are also discussed in detail. The advantages that high gradient technology offers for medical application and a summary of the current activities in the development of high gradient hadron therapy linacs are also described. The study of BD phenomenon is focused in two kinds of RF structures: a 3 GHz high gradient structure and 4-vane RFQs designed for applications in hadron therapy linacs. The results of the breakdown experiments are presented together with the instruments and facilities used. The high power tests on a 3 GHz prototype of accelerating structure for hadron therapy have been successfully performed at the CERN Sbox, and the maximum operation limit of a linac in terms of maximum achievable fields and breakdown probability have been determined. The conditioning and another measurements have been performed. The data analysis techniques used for the breakdowns localization in this structure are presented in detail in comparison with post-processing results. A statistical investigation of the breakdown occurrences is also made to understand the underlying processes of these events. The data collected have been compared with CLIC X-band RF prototypes results in order to estimate the structure performance. The description of the high-power set-up and the updates are described. A first systematic study of breakdown events in RFQs is presented. Two RFQs designed for different frequencies and applications are considered. The design features and the relative merits of these structures are discussed. The long term behaviour of the RFQs is also presented. The main changes observed during breakdown events are discussed and a technique of identification of breakdown location is proposed based on these observations. The experimental work presented in this thesis is carried out in order to compare the physics of breakdowns occurring in the high-gradient accelerating structures and RFQs. These studies have been applied to determine the breakdown limitations and to predict the structure performances. The final goal of the overall breakdown research is to understand the phenomenon, to maximize the structure performance and to confirm the ability of using high-gradient technologies for various applications.	en_US
dc.language.iso	en	es_ES
dc.subject	Linear accelerators	es_ES
dc.subject	High Gradient	es_ES
dc.subject	Breakdowns	es_ES
dc.subject	Accelerating structures	es_ES
dc.subject	Hadron therapy	es_ES
dc.title	High-Gradient issues in S-band RF Acceleration Structure for Hadrontherapy accelerators and Radio Frequency Quadrupoles	es_ES
dc.type	doctoral thesis	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::FÍSICA	es_ES
dc.embargo.terms	0 days	es_ES