Diseño de sistema de medición para caracterización de cavidades de radiofrecuencia

Abstract

En este trabajo de tesis se presenta el desarrollo e implementación de un sistema de medición para cavidades de radiofrecuencia. Dicho sistema se basa en la técnica de medición denominada bead-pull, la cual nos permite obtener el perfil del campo eléctrico longitudinal en el centro de las cavidades. El trabajo se divide en dos partes principales. La primera corresponde al estudio teórico, diseño y simulaciones electromagnéticas de una cavidad con acoplamiento lateral (sidecoupled) compuesta por 7 celdas principales y 6 celdas de acoplamiento, diseñada para operar a una frecuencia de 2.998 GHz, con el objetivo que acelerar un haz de electrones hasta 10 MeV. Para su análisis se parte de los fundamentos del electromagnetismo como son las ecuaciones de Maxwell, con el fin de establecer los parámetros geométricos iniciales de diseño. Estos parámetros se implementan en un modelo tridimensional con simetría cilíndrica y se estudia su comportamiento resonante mediante COMSOL Multiphysics [1] y el módulo RF [2], herramientas que permiten analizar fenómenos como la propagación de ondas electromagnéticas, el acoplamiento entre celdas y la respuesta resonante de estructuras de alta frecuencia. En esta cavidad se realiza un estudio exhaustivo de las frecuencias de resonancia, la estabilidad frente a variaciones geométricas, la shunt impedance, las tolerancias de manufactura y el aislamiento del modo 𝜋∕2. Se examina además la distribución del campo eléctrico sobre el eje (𝑟 = 0), con el propósito de evaluar la capacidad aceleradora y optimizar el desempeño de la estructura. Aunque el proceso de optimización global quedó a pocos pasos de completarse, los análisis realizados permiten establecer criterios claros para futuras mejoras y una comprensión profunda del comportamiento de la cavidad. La segunda parte del trabajo se enfoca en la caracterización experimental mediante la técnica bead-pull [3]. En este caso, las mediciones se realizaron sobre dos cavidades previamente fabricadas: una cavidad tipo pillbox, diseñada para 2.998 GHz, y una cavidad con acoplamiento lateral diseñada para 4.47 GHz. La técnica bead-pull consiste en introducir una pequeña cuenta conductora que perturba localmente el campo resonante y provoca desplazamientos en la frecuencia de resonancia. A partir de estas variaciones es posible reconstruir el perfil del campo eléctrico para compararlo con simulaciones numéricas y evaluar la fidelidad entre modelo y experimento. Como se observa, el trabajo transita desde el diseño teórico de cavidades RF basado en las leyes fundamentales del electromagnetismo, pasando por simulaciones numéricas avanzadas, hasta la implementación de un sistema de medición experimental que permite validar la física de campos dentro de cavidades reales. Este proyecto forma parte del esfuerzo nacional para consolidar en México una infraestructura sólida para el diseño, construcción y caracterización de cavidades RF empleadas en aceleradores de partículas. Dichas tecnologías resultan fundamentales para aplicaciones científicas, médicas (como la radioterapia) y diversas industrias, incluida la alimentaria [4, 5, 6, 7]. Con esta tesis se busca contribuir a ese desarrollo, apostando a que el fortalecimiento de la física de aceleradores impulse el avance tecnológico y científico del país.