POE/POU DEVICE CASE STUDIES

El Sistema de Protección de tetrodos o PSYS (Protection SYStem) desarrollado para este proyecto,

ha sido especificado según las características propuestas por esta tesis y desarrollado por la empresa Indra Sistemas en colaboración con Ciemat. Desde el inicio del desarrollo masivo de sistemas electrónicos, basados en dispositivos termoiónicos, como los tetrodos, los circuitos amplificadores siempre se han completado con componentes dedicados a la protección de los propios tetrodos. Estos sistemas de protección tienen como misión, por un lado, propiciar la estabilidad de las tensiones existentes entre los distintos electrodos del componente y por otro lado cortar el suministro de energía, en caso de que las corrientes, o lo que es equivalente, la potencia disipada en cualquiera de los electrodos, supere los límites marcados para el deterioro del dispositivo. Se trata mayoritariamente de dispositivos analógicos como diodos Zener, termistores, varistores y combinaciones de los mismos.

En el caso de IFMIF, se ha pretendido que este sistema tenga un verdadero impacto en la fiabilidad del Módulo de RF de tetrodos. Un sistema complejo, como el Módulo de RF de Tetrodos, es muy vulnerable a solicitaciones extremas de todo tipo, ya que el elevado número de componentes hace difícil la localización de componentes que, si bien aparentemente, se encuentran en buen estado, pueden estar ofreciendo un mal comportamiento en condiciones de alta potencia, cuando no se pueden medir sus características aisladamente. Ésta, que es la gran dificultad que enfrentan los responsables de mantenimiento de este tipo de sistemas, tiene una difícil solución y la mejor forma de frenar su efecto es una prevención eficaz. Para ello, se trata de mantener al sistema sometido al menor número de perturbaciones posible y de limitar la intensidad de los efectos de las mismas al mínimo posible. El módulo de RF de Tetrodos, está expuesto principalmente a:

- Transitorios de tensión entre rejillas (electrodos). - Picos en la tensión de tierra

- Potencia reflejada en la línea de RF

En general, el efecto de estas perturbaciones provoca que el tetrodo se salga de su punto de trabajo, especialmente si alguna de estas perturbaciones afecta a la tensión de la rejilla de control. El tetrodo también está expuesto a la variación de sus características con el ciclo térmico y con su ciclo de vida. Todas estas circunstancias provocan, en mayor o menor medida, variaciones en las corrientes y tensiones de las rejillas. El sistema diseñado para proteger los amplificadores de RF de IFMIF, es un sistema inteligente, ultrarrápido, basado en una combinación de FPGA (Field Programmable Gates Array) y dispositivos analógicos, que provoca el

corte de suministro de potencia y la parada de la cadena si se produce alguna de las condiciones de corte, como la ruptura de umbrales de cualquiera de los valores de tensión y corriente de las rejillas del tetrodo o se activa alguno de los enclavamientos externos disponibles. Este complejo diseño ha demostrado una alta fiabilidad y una excelente velocidad de respuesta, que es comparable con la de sistemas analógicos puros y que se encuentra por debajo de los 2 microsegundos para la parada total de la cadena de RF. Es, por tanto, un sistema tremendamente avanzado que posee además la capacidad de evolucionar, ya que no solo dispara cuando los valores cruzan el umbral fijado, sino que registra las causas de las paradas, los valores de los parámetros, etc., permitiendo realizar el análisis post-mortem con todas las

garantías. En concreto, este sistema tiene la capacidad poco habitual de monitorizar la corriente y tensión de la rejilla de pantalla del tetrodo y configurar distintas actuaciones en función de los valores de ambos parámetros. Es decir, no solo ordena parar cuando se superan los umbrales de protección, que son aquellos que una vez superados, llevarían al deterioro de la rejilla de pantalla, sino que el sistema puede configurarse para informar de variaciones en la corriente de rejilla de pantalla. Esta corriente es un buen indicador del estado de un tetrodo, ya que equivale a lo que significaría el consumo de aceite en un coche. Si la corriente de esta rejilla varía, entonces, la emisión y recolección de electrones secundarios en las inmediaciones del ánodo, ha variado. Esto puede deberse a que la tensión de la rejilla ha variado, resultando más o menos atrayente a los electrones secundarios y también a los primarios que llegan desde el cátodo o puede deberse a que se está produciendo una inversión de polaridad entre pantalla y ánodo o a que la emisividad de los filamentos ha disminuido, por ejemplo. En todos estos casos, el sistema se encuentra ante un cambio que puede ser asimilado, sin traumas, mediante la búsqueda de un nuevo punto de trabajo, cambiando las tensiones nominales de los distintos electrodos, o bien puede ser el preludio de una falta grave. Se hace por tanto patente el hecho de que este sistema avanzado y flexible de protección, es una buena herramienta para el aumento del MTBF de un amplificador basado en tetrodos, aunque se requerirá un cierto tiempo de operación con haz de partículas en el acelerador prototipo LIPAc, para definir exactamente el modo en el que esa flexibilidad puede ser aprovechada para aumentar aún más el MTBF del sistema de RF.

Cuando se habla de medidas de tensiones y corrientes, no se da una idea realista de la complejidad de esas medidas, ya que no se debe olvidar que incluyen desde la medida de 9 V de la tensión de filamentos, hasta la medida de hasta 15 kV para la tensión de ánodo, medida en las cercanías del propio ánodo. Algo similar ocurre cuando se trata de medir las corrientes, lo que sumado a la difícil accesibilidad a algunos puntos de medida y el elevado empaquetamiento del Módulo de RF de Tetrodos ha dado como resultado un sistema electrónica y mecánicamente complejo y que ha requerido muchas horas de diseño, desarrollo y ensayo. El Sistema de Protección de Tetrodos tiene que proteger a los tetrodos del amplificador Driver y del

amplificador Final, de las dos cadenas de RF que hay en cada Módulo de RF. Debe proteger a los

tetrodos de forma independiente del modo de funcionamiento y de forma independiente del sistema de control. Además, tiene que hacerlo permitiendo el arranque del sistema y soportando sin disparar las variaciones de tensiones y corrientes durante el transitorio de campo provocado por la carga del haz en la cavidad del acelerador (Efecto beam loading [27]), que supone la

situación más exigente dentro del funcionamiento normal. Este sistema tiene que actuar dentro de los intervalos de tiempo especificados para una eficiente protección de los tetrodos.

El PSYS tiene que intervenir en todas las alimentaciones y medidas del sistema, requiriendo por tanto una posición accesible que permite un cableado equilibrado. Para ello, se distribuye entre los componentes de tratamiento de señal y FPGA que se encuentran en el armario del Módulo de RF y otros elementos como las cajas de medida que se encuentran situados cerca de los tetrodos. Dado que algunos de ellos son a alta tensión, las mismas se encuentran convenientemente aisladas. Se trata también de un sistema modular y de rápido acceso y sustitución en caso de falta. Las cajas de ánodo, por ejemplo, específicamente aisladas, permiten la toma de medidas de tensión y corriente del ánodo. En la figura 4.35. se muestra el módulo de medida de ánodo del PSYS, en el que se conjugan tarjetas de control digital con tratamiento de señales de potencia, que requieren refrigeración.

Figura 4.35. Modelo 3D del módulo de medida del ánodo del PSYS

En la figura 4.36. se presenta un esquema con el diseño de la caja de medidas en la que se han implementado un divisor de tensión para el voltaje, una sonda de efecto Hall para la corriente y un Spark-gap como protección adicional. Para los ánodos de media potencia (Driver) la caja de

medida prevista es más sencilla y no requiere Spark-gap.

Figura 4.36. Caja de medida de ánodo del Final, fabricada por Indra Sistemas para esta investigación

El Sistema de Protección de Tetrodos implantado en este sistema es probablemente el más flexible y avanzado de cuantos se hayan diseñado para proteger tetrodos de alta potencia. Aparte de las elevadas características de su diseño analógico y de la capacidad de registrar, de forma digital, prácticamente todos sus parámetros, algo que se considera un verdadero lujo para este tipo de sistema de respuesta ultra-rápida es, probablemente, el único que monitoriza absolutamente todos los parámetros que afectan al tetrodo permitiendo configurar acciones ultra-rápidas con una alta flexibilidad de modo que se puede elegir para cada suceso si se debe informar, establecer una alerta de aviso o provocar una parada de emergencia del sistema. En tres años de ensayos de todo tipo, llevando al máximo a los distintos sistemas integrados en los Módulos de RF de Tetrodos, no se ha producido la avería de ningún tetrodo ni de ninguna

de las fuentes que alimentan a los tetrodos, aparte de no haberse producido daños por arco en ninguno de los sistemas alimentados por los distintos amplificadores ensayados hasta la fecha. Esto da una idea del alto nivel de protección que ofrece este sistema. Sin una estadística de uso durante varios años con decenas de amplificadores, es imposible comparar la calidad de este sistema con otros, aunque sí es evidente su superioridad tecnológica.

De cara a evaluar el sentido en el que impacta en la disponibilidad del sistema, se aplica de nuevo el Modelo Simplificado y partiendo de la disponibilidad inicial del 95,2% que incluye ésta y las otras 2 mejoras tecnológicas que se aplican, se obtiene el efecto que tendría el cancelar esta mejora. Dado que se asume que esta mejora supone una disminución del número de fallos del sistema ya que evita el deterioro de los distintos componentes ante la aparición de arcos o disfunciones, su impacto se puede evaluar aplicando un criterio de disminución del número de fallos globales. De este modo se plantea el supuesto en el que en lugar de utilizar el PSYS se utilizase un sistema de protección de tetrodos menos avanzado. En ese caso, se supone un aumento del número de fallos en todos los casos contemplados, del 10% (supuesto conservador). Se tendría por tanto la siguiente tabla de valores de partida (tabla 4.12.)

Tabla 4.12. Nuevos datos de entrada para el Modelo Simplificado a partir de la Tabla 4.5

Suceso Fallos anuales Tiempo medio de

parada de haz (h)

Fallo en Plataforma Principal con Sustitución

59 aumenta 10% y pasa a 64.9 4 Fallo en Plataforma Principal

sin Sustitución

78 pasa a 85.8 2

Fallo en Plataforma de Circuladores con sustitución

3.4 pasa a 3,74 5

Para este nuevo supuesto, la disponibilidad obtenida mediante el Modelo Simplificado en Reliasoft Blocksim es del 94,8%.Como puede comprobarse esta parece la medida menos impactante de las evaluadas, sin embargo ha de tenerse en cuenta que en las anteriores se han analizado caso extremos y en esta solo se han modificado los datos de partida en un 10%, lo cual resulta conservado vistos los resultados obtenidos en los primeros tres años de trabajo del equipo. Sin embargo, un análisis más exacto, que supuestamente arrojaría mejores resultados, no se podrá realizar hasta que este PSYS lleve unos años funcionando en el entorno del acelerador de partículas e instalado en múltiples cadenas de RF.