Design Thermique des Coupleurs de Puissance Intervenant : Mehdi Souli

Refroidissement hélium @ 2K Importance du Design Thermique - 1 Expérience Charge Thermique Critique sur la cavité 704MHz Etude de l’interaction thermique Coupleur-Cavité Expérience réalisée à CRYHOLAB QCHi = Q1+Q2+Q3 Q2 Q3 Eacc CH1: Chaufferette Port de couplage en niobium RRR=50 Rcontact 2 brides en Inox Refroidissement hélium @ 2K Tank hélium QCH1 Q1 QCH3 CH2 CH3 Câble RF Cavité en niobium RRR=200

Importance du Design Thermique - 2 1- 3W 5W Tbain=1.7K 8.5W Charge Thermique Critique: 3W ≤ QC <5W => Critère de design sur le refroidisseur du conducteur externe

Contraintes Thermiques des Coupleurs Fenêtre : Pertes diélectriques. Température homogène (~ 300K). T=300K => Circuit de refroidissement : Hélium gaz, Eau, Air Soufflé… Conducteur interne : Pertes RF. Rayonnement thermique vers le conducteur externe et le tube faisceau. T=300K => Circuit de refroidissement : Hélium gaz, Eau, Air Soufflé… Conducteur externe : Pertes RF. Pertes statiques de 300K à 4.2K ou 2K. T=4.2K-300K => Circuits de refroidissement : 1 - Echangeurs de chaleur à contre courant. 2- Block de thermalisation. Coupleur EUROTRANS

Aspects du Design Thermique des Coupleurs 1 ) Fenêtre et conducteur interne : Pas de difficultés à définir. 2 ) Conducteur externe : Niveau des pertes Pertes RF faibles (PRF< 10w) : Block de thermalisation (un ou plus). Pertes RF élevés (PRF> ~ 10w –> 35w): Echangeurs de chaleur. 3 ) Choix technologique : Conception : Maximiser le coefficient d’échange (Compacité), Minimiser les pertes de charges (Efficacité énergétique). Intégration mécanique du coupleur dans le cryomodule. Réalisation mécanique: Techniques simples et standards => Réduction du cout et la bonne fiabilité. Alimentation fluide : Prévoir durant le design de la boite froide 4 ) Modélisation thermique : Outil nécessaire de conception

Coupleur EUROTRANS Cavité elliptique cinq cellules 3 2 1 Pertes statiques ~7W Puissance RF incidente : 150kW en CW. Elément Mode TW (W) Conducteur interne 65 Conducteur externe 23 Fenêtre 12 Trois circuits de refroidissement: 1) Refroidissement de la fenêtre à l’eau à T=288K 2) Refroidissement du conducteur interne à l’eau ou à l’hélium gaz à T=288K. 3) Refroidissement du conducteur externe à l’hélium supercritique par un serpentin hélicoïdal. T=5.5K ->200K, P=3bar->10bar. Diamètre tube : 2/3mm, Cuivre OFHC. Nombre de spire : 32 Type de brasure : Plomb 40%-Etain 60%

Modélisation thermique et validation expérimentale Bloc thermostatique Tcavité = 4.2K ou 2K Chauffage uniforme PCH(W/m2) Bride en inox Resistance thermique de contact Partie refroidie Partie adiabatique 1 : Cuivre OFHC d’épaisseur ecu=0.5mm 2 : Brasure Pb-Sn d’épaisseur ePb-Sn =2mm. 3 : Inox d’épaisseur eInox=2mm. 4 : Coefficient d’échange ou conductance thermique h(W/m2.K). PCH(W/m2) 1 2 3 4

Modélisation Thermique Coupleur EURISOL 273K Cavité Spoke 265K Pertes statiques ~13W 250K Puissance RF incidente de 20kW en CW. 171K Elément Mode TW (W) Conducteur interne - Conducteur externe ~ 1 Fenêtre ~ 3 144K 40K 77 K 25K Fenêtre : Refroidie à l’eau Conducteur interne : Non refroidie 3) Conducteur externe : Thermalisation à l’azote par deux spires ou un bloc de thermalisation en cuivre 15K 6K 4.2K 4.29K Modélisation Thermique

Coupleur Spiral2 Bloc à 4.2K Bloc à 77K Fenêtre Bloc à 77K Bloc à 4.2K Circulation d’air Cavité quart d’onde Puissance RF incidente de 20kW en CW. Elément Mode TW (W) Conducteur interne 14 Conducteur externe ~2 Fenêtre ~1 1) Fenêtre : Air comprimé à 3 bar 2) Conducteur interne : Non refroidie 3) Conducteur externe : Thermalisation à 77K. Thermalisation à 4.2K.

Coupleur ILC – XFEL / SNS Cavité elliptique neuf cellules Cavité elliptique Puissance moyenne RF incidente de 1.9kW à 7.2 kW. Puissance moyenne RF incidente de 50kW. Conducteur externe : Thermalisation à 2K. Thermalisation à 4.2K. Thermalisation à 77K 1) Fenêtre : Circulation d’eau 2) Conducteur interne : Non refroidie 3) Conducteur externe : Echangeur à hélium supercritique usiné dans le conducteur externe

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