Development of a solid state amplifier for the 3rd harmonic cavity for ALBA synchrotron light source

Abstract

In Synchrotron Light Source facilities with high energy and low emittance electron beams different techniques for improving the quality of the synchrotron light for the users are applied. With this aim ALBA, the Spanish 3rd generation Synchrotron Light Source, is developing a 3rd Harmonic radiofrequency (RF) system as a system additional to the main RF system of the storage ring. This system will consist of four normal conducting active cavities at 1.5 GHz that will provide the required 1.1 MV accelerating voltage to the electron beam and will be fed by four 20 kW power transmitters. This power will be generated by modular Solid State Power Amplifiers (SSPAs) in a continuous wave mode at 1.5 GHz. On the basis of preliminary studies it has been decided that the architecture of each 20 kW power transmitter is a tree diagram made up of primary 1 kW SSPA modules connected in parallel in a combination array. The present PhD thesis is devoted to the design, building and evaluation of a prototype of the 1 kW SSPA module formed four 250 W primary power amplifier modules. Accordingly, all subsystems, namely input and output matching networks of the 250 W primary module, and a four-way power splitter, a four-way power combiner and a novel directivity compensated directional coupler for the non-invasive power monitoring of the 1 kW power amplifier were also designed and their prototypes were tested. A final evaluation of the combined 1 kW SSPA prototype module was successfully carried out and has shown good performance.

En las instalaciones de tipo Fuentes de luz de sincrotrón de haz de electrones de alta energía y baja emitancia se aplican diferentes técnicas de mejora de la calidad de la luz de sincrotrón. Con este objetivo, el ALBA, la fuente española de luz de sincrotrón de la tercera generación, está desarrollando un sistema de radiofrecuencia (RF) de la 3ª Harmónica como un sistema adicional al sistema de RF principal del anillo de almacenamiento. Este sistema consistirá de cuatro cavidades activas de conductividad normal de frecuencia 1,5 GHz que suministrarán un voltaje acelerador de 1.1 MV necesario para el haz de electrones y que serán alimentadas por cuatro transmisores de potencia de 20 kW. Esta potencia será generada en modo de onda continua a frecuencia 1.5 GHz por amplificadores de potencia de estado sólido (APES) de estructura modular. A partir de unos estudios preliminares se ha decidido que la arquitectura de cada transmisor de potencia de 20 kW es de tipo diagrama de árbol que consiste de APES primarios de potencia 1 kW conectados en paralelo formando una matriz de combinación. El tema de la presente tesis es el diseño, la construcción y la caracterización de un prototipo del módulo de APES de potencia 1 kW formado por cuatro amplificadores primarios de 250 W de potencia. También, todos subsistemas, concretamente los circuitos de adaptación de entrada y de salida del módulo primario de 250 kW, así como un divisor de cuatro salidas, un combinador de cuatro entradas y un acoplador direccional con una nova solución de compensación de directividad para una monitorización no invasiva han sido diseñados y sus prototipos han sido testeados. La evaluación final de funcionamiento del APES de 1 kW de potencia ha sido realizada con éxito y ha demostrado su buen rendimiento.