Desarrollo de un software de medida avanzada de factor de calidad de cavidades resonantes para aceleradores de partículas

Abstract

RESUMEN: El trabajo fin de máster, realizado en colaboración con el Consorcio ESS Bilbao, ha sido un trabajo en equipo donde he participado, en coordinación con un compañero, en dos proyectos. El proyecto sobre el que trata este trabajo fin de máster es el desarrollo de un software de medida avanzada de factor de calidad de cavidades resonantes para aceleradores de partículas. Se realiza utilizando el lenguaje de programación Python. Este proyecto se lleva a cabo ante la importancia de un alto factor de calidad en las cavidades resonantes que forman parte de un acelerador de partículas, ya que esto implica una baja tasa de pérdidas de energía en relación con la energía almacenada “útil” en el resonador. El programa realiza el cálculo del factor de calidad utilizando varios métodos matemáticos diferentes. El método de los tres puntos es el más sencillo de los tres y permite una aproximación rápida y bastante realista. Los otros dos métodos, propuestos por D. Kajfez y K. Leong, están basados en interpolaciones (ajuste de curvas), por tanto, son más robustos ante los inevitables errores aleatorios de medida y el resultado que se obtiene es mucho más cercano a su valor real. Además, el software cuenta con una interfaz gráfica de usuario a través de la cual se indica si el cálculo del factor de calidad se va a realizar bien utilizando un analizador vectorial de redes en línea o bien utilizando un fichero de resultados de parámetros S (S2P) fuera de línea. La interfaz de usuario también presenta el resultado de factor de calidad final obtenido, es decir, el más exacto para las condiciones de medida. Para comprobar que el programa se había realizado correctamente, se realizaron comparaciones con simulaciones de resonadores (cuyo valor del factor de calidad era conocido) y medidas en laboratorio del factor de calidad en prototipos de resonadores y en una de las cavidades resonantes de tipo “Buncher” disponibles en ESS Bilbao. A modo de resumen, destacaría que se ha tratado de un trabajo realizado en equipo que ha incluido un análisis de la bibliografía técnica relevante, el desarrollo de software en Python (un lenguaje de programación ampliamente utilizado en ciencia) y el manejo tanto manual como controlado remotamente de instrumentos de medida de radiofrecuencia especializados, con el objetivo de realizar medidas avanzadas de caracterización de cavidades resonantes para aceleradores de partículas.

ABSTRACT: The final master's thesis, carried out in collaboration with the ESS Bilbao Consortium, has been a team effort where I have participated, in coordination with a colleague, in two projects. The project, development of a software for advanced measurement of the quality factor of resonant cavities for particle accelerators, is the one that is going to be dealt with in this master's thesis. It is done using the Python programming language. This project is carried out due to the importance of a high quality factor in the resonant cavities that are part of a particle accelerator, since this implies a low rate of energy losses in relation to the "useful" stored energy in the resonator. The program performs the calculation of the quality factor using several different mathematical methods. The three-point method is the simplest of the three and allows a quick and fairly accurate approximation. The other two methods, proposed by D. Kajfez and K. Leong, are based on interpolations (curve fitting), therefore they are more robust to the inevitable random measurement errors and the result thus obtained is much closer to its true value. In addition, the software has a graphical user interface through which it is indicated whether the calculation of the quality factor is going to be carried out either using an online vector network analyzer or using an S parameter results file (S2P) off-line. The user interface also presents the final quality factor result, that is, the most accurate for the measurement conditions. To verify that the program had been carried out correctly, comparisons were made with resonator simulations (whose value of the quality factor was known) and laboratory measurements of the quality factor in prototype resonators and in one of the resonant cavities of the “Buncher” type available at ESS Bilbao. As a of summary, I would highlight that it has been a teamwork that has included an analysis of the relevant technical bibliography, the development of software in Python (a programming language widely used in science) and both manual and remote control of specialized radiofrequency measurement instrumentation, with the aim of carrying out advanced characterization measurements of resonant cavities for particle accelerators.