होम पेज अतिचालक गुहिकाएँ (कैविटीस) विकास प्रभाग

नायोबियम से बने अतिचालक कैविटी(गुहा) किसी भी उच्च ऊर्जा रैखिक त्वरक का आधार हैं । भारतीय स्पेलेशन न्यूट्रॉन सोर्स प्रोजेक्ट के लिए प्रस्तावित अतिचालक प्रोटॉन लिनैक के लिए बड़ी संख्या में मल्टी-सेल अतिचालक गुहाओं की आवश्यकता होगी।

प्रभाग में एससीआरएफ गुहाओं से संबंधित विकासात्मक गतिविधियों का सारांश नीचे दिया गया है:

1. 1.3 गीगाहर्ट्ज टेस्ला टाइप अण्डाकार गुहाएं
2. 650 मेगाहर्ट्ज (बीटा = 0.9 और 0.92) अंडाकार गुहाएं
3. गुहा ट्यूनर विकास
4. एससीआरएफ गुहा ड्रेसिंग इन्फ्रास्ट्रक्चर

आर आर कैट द्वारा बनाई गई विभिन्न 1.3GHz और 650 मेगाहर्ट्ज आरएफ गुहाओं की गैलेक्सी

आरआरकैट (भारतीय संस्थान) एवम्‌ फर्मिलैब (यूएसए) के आपसी सहयोग (आईआईएफसी) के तहत इन अतिचालक गुहिकाओं का विकास किया जा रहा है। ये गुहिकाएँ उच्च विभव (Eacc) और उच्च गुणवत्ता कारक(Q) के कारण ज्यामितीय परिवर्तनों के प्रति बेहद संवेदनशील होती हैं और उन्हें नियंत्रित करने के लिए निर्माण और प्रसंस्करण के हर चरण में उच्च गुणवत्ता नियंत्रण की आवश्यकता होती है ।

आर आर कैट ने अतिचालक गुहा निर्माण तकनीक पर काम 1.3 GHz (ILC टाइप) गुहाओं के साथ शुरू किया। प्रारंभ में दो प्रोटोटाइप सिंगल सेल अतिचालक गुहा विकसित किए गए। इसके बाद, बेहतर निर्माण प्रक्रिया के साथ दो और सिंगल सेल गुहा विकसित की गईं। इन्हें फर्मिलैब के सहयोग से संसाधित और 2K पर परीक्षण किया गया।

1.3 गीगाहर्ट्ज़ सिंगल सेल एससीआरएफ गुहाओं के 2K के परीक्षण परिणाम

1.3 गीगाहर्ट्ज़ सिंगल सेल अतिचालक गुहाओं के प्रारंभिक सफल विकास के बाद, अगले कदम के रूप में, 1.3 गीगाहर्ट्ज़ पांच-सेल अतिचालक गुहाओं का विकास शुरू किया गया है। एक मल्टी-सेल अतिचालक गुहा के विकास उनके आरएफ मापन और विद्युत विभव समानता मापन और इसके नियंत्रण से जुड़ी अतिरिक्त चुनौतियां होती हैं। यह 1.3 गीगाहर्ट्ज पांच सेल गुहा का सफल परीक्षण फर्मिलैब, यूएसए में किया गया । इस गुहा में 2 x 10¹⁰ के उच्चगुणवत्ता कारक के साथ 2 K पर 20.3 MV/m और 1.5-1.7K पर 42 MV/m का त्वरण ग्रेडिएंट प्राप्त किया ।

1.3 गीगाहर्ट्ज़ पंच सेल अतिचालक गुहा	गुहा के 2K के परीक्षण परिणाम

अगले चरण के रूप में 1.3 गीगाहर्ट्ज़ नौ-सेल अतिचालक गुहा का विकास शुरू किया गया। आरआरकेट में विकसित सुविधा का उपयोग करके गुहा को संसाधित और ट्यून किया गया।

1.3 गीगाहर्ट्ज़ नौ-सेल अतिचालक गुहा

सिंगल-सेल 650 मेगाहर्ट्ज (बीटा = 0.92) सुपरकंडक्टिंग कैविटी को इन-हाउस इलेक्ट्रॉन बीम वेल्डिंग सुविधा का उपयोग करके बनाया गया है। गुहा को सफलतापूर्वक संसाधित किया गया और वीटीएस सुविधा में 2 K पर परीक्षण किया गया। इस गुहा ने 2K पर 7x1010 के गुणवत्ता कारक Q0 के साथ 19.3 MV/m का त्वरण ढाल (Eacc) प्राप्त किया।

650 मेगाहर्ट्ज सिंगल-सेल नाइओबियम गुहा	व्ही टी एस में तापमापी प्रणाली से युक्त गुहा	Eacc बनाम Q0

1.3 गीगाहर्ट्ज़ मल्टी-सेल एसआरएफ कैविटी विकास से प्राप्त अनुभव के आधार पर 650 मेगाहर्ट्ज पांच-सेल एसआरएफ कैविटी की एक विस्तृत निर्माण योजना बनाई गई। विभिन्न मशीनिंग और वेल्डिंग जोड़ भी डिजाइन और निर्मित किए गए। इन-हाउस 15 kW EBW मशीन सुविधा का उपयोग करके इस कैविटी को वेल्ड किया गया।

निर्मित पहली 650 मेगाहर्ट्ज 5-सेल कैविटी

इस पहली कैविटी के वीटीएस परीक्षण में निम्न क्षेत्र गुणवत्ता कारक 4 x 1010 और 17.5 MV/m का अक्सेलरेटिंग ग्रेडिएंट हासिल किया गया।

पहली 650 मेगाहर्ट्ज 5-सेल गुहा का 2K पर परिक्षण परिणाम

इन-हाउस इंफ्रास्ट्रक्चर का उपयोग करके छह और सुपरकंडक्टिंग आरएफ ( पांच-सेल बीटा = 0.92 650 मेगाहर्ट्ज ) गुहाओं का निर्माण पूरा कर लिया गया है। इनके घटकों की मशीनिंग भारतीय उद्योगों में की गयी है ताकि ये विकसित उद्योग भविष्य में बड़े पैमाने की आवश्यकताओं की पूर्ती हेतु तैयार रहे। वर्तमान में, ये गुहाएं प्रसंस्करण और परीक्षण के विभिन्न चरणों में हैं।

आगे की प्रक्रियाओं के लिए तैयार निर्मित गुहिकाएँ

ट्यूनर SCRF कैविटी का एक अनिवार्य हिस्सा है, जो न केवल निर्माण त्रुटियों के लिए RF कैविटी की अनुनाद आवृत्ति को ठीक करता है, बल्कि त्वरक संचालन के दौरान गुहा RF अनुनाद आवृत्ति को भी नियंत्रित करता है। आरआरकेट में डिजाइन, प्रोटोटाइप निर्माण और परीक्षण के लिए विभिन्न प्रकार के ट्यूनर से संबंधित गतिविधियां शुरू की गई हैं। एक्स-लिंक ट्यूनर के साथ-साथ लीवर ट्यूनर को आरआरकेट में विकसित किया गया है जैसा कि नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है। एक्स-लिंक ट्यूनर आरआरकेट का अभिनव डिजाइन है जिसमें संपीड़न मोड या विस्तार मोड में काम करने की क्षमता है। लीवर ट्यूनर FermiLab का डिज़ाइन है, जिसे IIFC सहयोग के तहत RRCAT में तैयार किया गया है।

X-link tuner	Lever tuner

आरआरकेट डिजाइन के आधार पर एक्स-लिंक ट्यूनिंग तंत्र विकसित किया जा रहा है, जिसे जापान, यूरोप, अमेरिका और भारत से चार पेटेंट प्राप्त हुए हैं। यह ट्यूनर एससीआरएफ गुहाओं की आवश्यकता के अनुसार धीमी और तेज ट्यूनिंग संचालन करने में सक्षम है। एक्स-लिंक ट्यूनर का परीक्षण 650 मेगाहर्ट्ज सिंगल-सेल एससीआरएफ कैविटी के साथ किया गया है जैसा कि डिजाइन मापदंडों के अनुसार रेंज और रिज़ॉल्यूशन के लिए धीमी और तेज ट्यूनिंग के लिए चित्र में दिखाया गया है। नियंत्रण प्रणाली भी धीमी और तेज ट्यूनिंग सिस्टम दोनों के लिए डिजाइन और विकसित की गई है। ट्यूनर नियंत्रण की योग्यता मोटर और पीजो को कमरे के तापमान के साथ-साथ क्रायोजेनिक तापमान पर चलाकर की गई थी। पीजो को आधा साइनसॉइडल पल्स चौड़ाई के साथ 100V पर 1 ms तक और 50 हर्ट्ज की पुनरावृत्ति दर के साथ संचालित किया गया । तेजी से ट्यूनिंग के लिए सिस्टम का अध्ययन करने के लिए प्रत्येक परीक्षण में पल्स चौड़ाई, पुनरावृत्ति दर और पीजो उत्तेजना का आयाम भिन्न होता है। 62V पर 10 ms पल्स चौड़ाई के पीजो उत्तेजना के लिए कैविटी की phase प्रतिक्रिया और 4Hz की पुनरावृत्ति दर को चित्र में प्लॉट किया गया है। इसके अलावा इस ट्यूनर को क्षैतिज परीक्षण स्टैंड (एचटीएस) में 2K तापमान पर उच्च बीटा 650 मेगाहर्ट्ज 5-सेल एससीआरएफ कैविटी के साथ परीक्षण किया जाएगा।

सिंगल-सेल एससीआरएफ कैविटी के साथ एक्स-लिंक ट्यूनर	62V, 10ms पल्स, 4Hz पुनरावृत्ति दर के पीजो एक्साइटेशन पर गुहा का फेज रिस्पांस

इस तंत्र में लगभग 20:1 यांत्रिक लाभ अनुपात के साथ डबल लीवर व्यवस्था है। दो पीजो एक्ट्यूएटर, कैविटी ट्रांजिशन रिंग और ट्यूनर लीवर के बीच केंद्र में सीधे कैविटी में बल संचारित करने के लिए लगाया जाता है । ट्यूनर की स्टेपर मोटर (स्लो एक्ट्यूएटर) और पीजो (फास्ट एक्ट्यूएटर) ऑपरेशन के लिए, ट्यूनर को उच्च बीटा 650 मेगाहर्ट्ज ड्रेस्ड कैविटी के साथ कमरे के तापमान पर इसकी गुणता का अध्ययन किया। इसके अलावा, इस ट्यूनर को एचटीएस में 2K पर कैविटी की सुपरकंडक्टिंग अवस्था में धीमी ट्यूनिंग रेंज और रिज़ॉल्यूशन के लिए परीक्षण किया गया ।