Concursos de Projectos de I&D Calls for R&D Projects

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1 Concursos de Projectos de I&D Calls for R&D Projects Voltar à descrição do projecto Back to project description Imprimir esta página Print this page Visão global da candidatura Application overview Ocultar todos as secções desta candidatura Hide all sections for this application Referência do projecto Project reference CERN/FP/116370/2010 (Lacrado a às 17:57) 1. Identificação do projecto 1. Project description Área científica principal Main Area Física das Partículas Área científica Secundária Secondary area Título do projecto (em português) Project title (in portuguese) Desenvolvimento dum modulador para aplicar tensões no alvo instalado no ISOLDE Título do projecto (em inglês) Project title (in english) Target voltage modulator development for the on-line isotope separator at ISOLDE Financiamento solicitado Requested funding ,00 Palavra-chave 1 Keyword 1 Modulador de Tensão Voltage Modulator Palavra-chave 2 Keyword 2 ISOLDE ISOLDE Palavra-chave 3 Keyword 3 Topologia baseada em semicondutores Palavra-chave 4 Keyword 4 Recuperação da tensão inferior a 1 ms Data de início do projecto Starting date Semiconductor based topology Voltage recovery lower than 1 ms Duração do projecto em meses Duration in months 2. Instituições envolvidas 2. Institutions and their roles Instituição Proponente Principal Contractor Fundação da Faculdade de Ciências (FFC/FC/UL) Campo Grande - Edificio C7-1º Piso Lisboa Instituição Participante Participating Institution Unidade de Investigação Research Unit Centro de Física Nuclear (FC/UL)

2 Av. Prof. Gama Pinto, Lisboa Unidade de Investigação Adicional Additional Research Unit Instituição de Acolhimento Host Institution 3. Componente Científica 3. Scientific Component 3.1. Sumário 3.1 Abstract 3.1.a Em português 3.1.a In Portuguese Neste projecto pretendemos desenvolver um novo modulador para 60 kv do alvo do ISOLDE. O separador de massa em tempo real, ISOLDE, está localizado no Proton-Synchrotron Booster (PSB) do CERN, Centro Europeu para a Pesquisa Nuclear. A fonte de iões do ISOLDE está ligada a um alvo, flutuante a 60 kv, que é periodicamente bombardeado por um feixe de 1,4 GeV de protões com 2 µa. Os iões produzidos são acelerados por um campo de 60 kv por um eléctrodo de extracção ao potencial da terra, para a área experimental. Para existir elevada resolução em massa no separador a jusante é extremamente importante que a tensão de aceleração seja excepcionalmente estável. O alvo, a fonte de iões e o eléctrodo de extracção estão dentro de um tanque em vácuo onde é aplicado o potencial de aceleração. O impacto do feixe de protões ioniza intensamente o ar. Esta ionização perturbar a tensão de aceleração porque representa uma carga adicional para a fonte de alimentação. Assim, durante o período crítico quando os protões bombardeiam o alvo a tensão de aceleração reduzida a zero. Isto é aceitável desde que a mesma seja restabelecida no seu valor de 60 kv +/- 1 V em menos de 10 ms, permitindo ainda a detecção isótopos com tempos de vida média muito curtos. Durante este período o feixe de iões não entra no separador. O sistema actual do modulador restaura a tensão perto do seu valor nominal em menos de 6 ms. Esta topologia do circuito satisfaz os constrangimentos de recuperação e estabilidade da tensão. Mais recentemente, houve necessidade de instalar uma fonte de alimentação contínua negativa de 60 kv para acelerar feixes de iões negativos. Teste preliminares que decorreram no ISOLDE mostraram que, apesar de a fonte ser estável de acordo com as especificações, o tempo de recuperação para o regime de estabilidade imposto anda na ordem do 50 ms, longe dos 10 ms. Somado a isto, a utilização de novas fontes de iões usando alvos denominados de conversão aumentaram a carga vista pela fonte de alimentação a seguir ao impacto dos protões. Como resultado, com a máxima intensidade do feixe de iões e alguns tipos de alvos de conversão o tempo de recuperação excede o imposto. O previsível alargamento da utilização deste tipo de alvos no futuro bem como o aumento de potência do feixe de protões para o HIE-ISOLDE (ISOLDE com alta intensidade e energia) vai levar, inevitavelmente, à degradação do desempenho dos moduladores. Considerando isto, está a desenvolver-se uma nova topologia que pode fornecer a estabilidade da tensão desejada para tensões positivas e negativas, que inclui a fonte de 60 kv e interruptores de estado sólido, utilizando o conceito do gerador de Marx. Este circuito tem eficiência elevada e flexibilidade para mudar os parâmetros de acordo com as condições de funcionamento. Adicionalmente, este projecto pretende contribuir definitivamente para o crescimento da investigação nas áreas da potência pulsada, orientada para aplicações que vão até à física nuclear avançada, em Portugal, contribuindo para a formação e treino de muitos jovens estudantes e cientistas neste campo interdisciplinar através da colaboração com o CERN, e criando condições para estabelecer-se uma infra-estrutura suportada para transferência tecnológica para outras aplicações. Nos primeiros anos do projecto, após a definição de um conjunto de requisitos para realização do novo modulador, foi definida uma topologia base de circuito e simulada com sucesso. Um protótipo para 10 kv do circuito foi construído em Lisboa. No início deste ano este circuito foi transferido para o CERN, onde esteve em teste de forma a medirem-se o tempo de recuperação da tensão do circuito e sobrelevação da tensão, após a tensão ir a zero e voltar ao valor desejado, em diversas condições de funcionamento. Este trabalho foi possível considerando as duas equipas de físicos e engenheiros a trabalhar em Lisboa e no CERN. Em ambas foram essenciais os bolseiros da FCT, em Lisboa, e a bolsa ADI para um engenheiro no CERN, agora bolseiro do CERN. No quarto ano do projecto, iremos aumentar a capacidade de trabalho no CERN, onde se vai construir um novo circuito eléctrico equivalente do alvo, para condições de funcionamento estáticas e dinâmicas, para ensaio do protótipo já construído bem como de um novo protótipo a ser construído, também do tipo capacitivo, mas com base unicamente em interruptores de estado sólido que suportam a tensão máxima de operação. As topologias de circuitos, baseados no conceito do gerador de Marx com semicondutores, aqui desenvolvidas e aplicadas têm um potencial enorme para serem aplicadas em diferentes aplicações pulsadas. Constituindo um dos objectivos deste projecto poder transferir a tecnologia que está a ser desenvolvida para outras aplicações no CERN. 3.1.b Em inglês 3.1.b In English This project aims the development of a new 60 kv ISOLDE voltage target modulator, supported on the progress of semiconductor technology. The On-Line Isotope Mass Separator ISOLDE is located at the Proton-Synchrotron Booster (PSB) of the European Organization for Nuclear Research CERN. The ion source of ISOLDE is connected to a thick target, floating at 60 kv, which is periodically bombarded by a 1.4 GeV high intensity proton beam (up to 2 µa). The produced ions are then accelerated by a grounded extraction electrode to 60 kv, before transport to the experimental area. The target and ion source must be held at a precise voltage with respect to a grounded extraction electrode to provide the necessary acceleration. If there is to be high mass resolution in the downstream separator it is extremely important that there be exceptional stability of this accelerating voltage. The target, ion source and extraction electrode are in vacuum and the vacuum tank of the target is raised to full accelerating potential. The impacting proton beam intensively

3 ionizes the air. This ionization perturbs the accelerating voltage because it represents a significant additional load on the 60 kv power supply. Hence, during the critical period when protons strike the target the accelerating voltage is decreased to zero. This is acceptable provided that the stable accelerating voltage of 60 kv +/- 1 V is interrupted for less than 10 ms, so still allowing the detection of very short life-time radio isotopes. During this period the beam is prevent from entering the separator. The actual hard-tube switch based modulator restores the voltage close to its nominal value within 6 ms. This circuit topology is proven to satisfy the voltage recovery time and stability constraints. However, recent physics requests for negative ion beams have required the installation of a commercial negative 60kV d.c. power supply. Experiences during two-week negative ion runs have shown that whilst the d.c. stability of the negative power supply is within specification, the recovery time to the required stability level is of the order of 50ms, well outside the maximum 10ms required. In addition, recent use of new ion sources using so-called converter targets have substantially increased the resistive loading seen by the positive power supply immediately following proton beam impact. An observed consequence is that with maximum beam intensity and certain types of converter targets the recovery time exceeds the maximum required. Increased use of converter targets is envisaged in the future, as well as, the beam power increase in the future for the HIE-ISOLDE (High Intensity and Energy ISOLDE) will inevitably lead to degradation of the target modulators performance. Considering this, a new circuit topology that can provide the mandatory stability for the future demands is been developed, either for negative and positive ion beams, which includes the same 60 kv power supply and solid-state switches, using the Marx generator concept. This circuit has a higher efficiency and flexibility for changing the circuit parameters considering the various operating conditions. Furthermore, this project aims to definitively contribute to the growth of pulsed power technology research, oriented for applications such as advanced nuclear physics, in Portugal contributing to the education and training of many young students and young researchers in this interdisciplinary field through this international collaboration with the CERN organization, given the conditions to establish a self supported infrastructure for technology transfer for other applications. In the first years of the project, after the requirements definition for the new modulator, a new circuit modulator was design and successful simulated. A 10 kv range circuit prototype was assembled in Lisbon. Earlier this year this circuit was transferred to CERN, where was subjected to different tests in order to measure the voltage recovery time and overshoot, after the goes to zero and returns to the desired value, considering different operating conditions. This work was possible considering the two teams of physics and engineers that are working in Lisbon and at CERN. In both it was fundamental the two project FCT/grant students, in Lisbon, and the one AdI student that is at CERN, now a CERN Fellow. In the fourth year of the project, the team will reinforce the work effort at CERN, where a new target electric equivalent circuit needs to be assembled, for static and dynamic conditions, for testing the actual circuit prototype as well as a new one, also of capacitive-type, based on solid state switches that hold-off the full operation conditions voltage. The designed circuit topologies, based on Marx concepts with solid-state devices, here developed, have a large potential for being used in different pulsed power application. The transfer of this technology for other applications at CERN is one of the aims of this project Técnica 3.2 Technical Revisão da Literatura Literature Review The ISOLDE facility provides radioactive ion beams to a number of experimental areas in the fields of nuclear and atomic physics, solid-state physics, materials science and life sciences. The facility is located at the Proton-Synchrotron Booster (PSB) of the European Organization for Nuclear Research CERN. The target and ion source must be held at a precise voltage with respect to a grounded extraction electrode to provide the requisite acceleration, normally 60 kv. Actually, the circuit topology of the target voltage modulator is based on a custom-built positive high-voltage d.c. power supply (60 kv) connected, through a pulse transformer and a hard-tube (tyratron), to a resonant circuit such that prior to beam impact the target is fully discharged to zero by the resonant circuit in about 35µs (to prevent additional load to the power supply), remains close enough to zero during beam impact, does not over-swing by more than 2.5 kv during recovery and finally, and of greatest importance, returns to its nominal value +/- 1 V within 6 ms [1] still allowing the detection of very short life-time radio isotopes. For positive radioactive beams the acceleration voltage is positive, in this case the actual modulator (based on pulse transformer and a hard tube switching) has a recovery time less than 10 ms and a good stability afterwards, however for negative beams the actual modulator recovery time is in the order of 50 ms, being excessive for production a stable beam of very short life-time radio isotopes. The Nuclear Physics Center research team includes expertise in pulsed power technology, namely in repetitive high voltage modulators bases in semiconductor technology. To our knowledge, today, the only group in Portugal working in the development of pulsed power technology and applications. Prior to this project, several solid-state based pulsed power modulator topologies that can be applied to different types of loads (i.e. resistive, capacitive and inductive), using either positive, negative or bipolar pulses, with potential applications for enhancing a method or a product in the areas on environment, medical, biological and industry, have been developed [2 4]. The group registered, already, three Portuguese patents in the field of solid state pulsed power, the first one in 2006 [5], the second one in 2008 [6] and the third one in 2009 [7]. The previous circuits have great potential for application in the ISOLDE voltage target modulator and other CERN applications. The circuits are able to generate rectangular positive and/or negative high-voltage pulses with different frequencies up to tens of khz, pulse widths and duty cycles. Nevertheless, optimizations are needed to accomplish the demands impose by characteristics and requirements of the ISOLDE modulator [8]. The CERN team includes three members of the Technology Department, Accelerator Beam Transfer Group, ABT, and Electronics & Control Section. Their expertise and skills, namely, in high-voltage pulse generators are essential for the construction of the new 60 kv ISOLDE voltage target modulator. Also, comprises a past ADI grant Portuguese engineer for this project, actually a CERN Fellow. The ISOLDE modulator circuit operation can be regard as a pulsed circuit but with a different approach. In standard pulse applications, a target is grounded and afterwards during the pulse period a positive or negative high-voltage pulse is applied to it,

4 during a short period compared to the grounded period, after which the zero voltage is imposed again. However, in the case of the ISOLDE target, a stable (better than 10E-5) d.c. high-voltage is applied to the target and during some short periods this voltage is grounded. Meaning that the high voltage duty cycle at the target is much higher than normal. Many different technologies can be used to generate negative or negative high voltage pulses. The most widely used circuit configurations rely on a high-voltage d.c. power supply and a hard-tube switch in series or in parallel with the load and an energy storing capacitor [9]. Modern hard-tube switching devices are capable of switching megawatts of average power, although expensive and cumbersome. Much more convenient, solid state switching devices, like insulated gate bipolar transistor (IGBT), and power metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), are still comparatively low voltage devices. For this reason, solid state modulators only recently have been introduced. To achieve the needed high voltages, several authors have brought different techniques into practical circuits. Some use series connected semiconductors to directly switch a high-voltage power supply onto the load [9]. Others use pulse transformers, with primary coils supplied by a parallel association of semiconductor switches and where the energy is stored at a low voltage level [10]. Recently, a constant flux reset clamp circuit that takes advantage of the low duty ratio required has reduced the voltage stress on all semiconductor switches [11]. Cascade topologies are also been used, either with series connected circuits based on resonant pulse transformers [12], or with the cascade (series connected) of pulse generators isolated with transformers [10]. The Marx generator concept [13], charging capacitors in parallel and discharging them in series into the load (through a number of switches), provides another widely used method for generating high-voltage pulses, because it requires only a relatively low-voltage d.c. power supply for charging and does not require pulse transformers to achieve the desired high-voltage. Recent semiconductor technological upgrades increased the life-time of the circuit and permitted higher pulse repetition frequency, meaning an improved performance [3, 14 18]. In this project solid-state switches, based on the Marx concept, are used to increase efficiency and flexibility of the actual modulator Plano e Métodos Plan and Methods The CERN ISOLDE facility provides radioactive ion beams to a number of experimental areas in the fields of nuclear and atomic physics, solid-state physics, materials science and life sciences. The facility is located at the Proton-Synchrotron Booster (PSB) of the European Organization for Nuclear Research CERN. At ISOLDE, radioactive nuclides are produced via spallation, fission, or fragmentation reactions in a thick target, irradiated with a proton beam from the PSB at an energy of 1.4 GeV and an intensity up to 2 microa. The target and ion source are fast physicchemical devices. The volatile nuclear reaction products are released from the high temperature target into an ion source via chemically selective processes and are extracted as a radioactive ion beam, which in many cases reaches the highest intensities available worldwide. Laser ionization for selected chemical elements allows for further selection and in some cases can provide a beam prepared in a particular isomeric state. This unique production device is coupled to powerful mass separators from which are extracted high intensity radioactive beams of high isotopic and often isobaric purity. More than 600 isotopes with half-1ives down to milliseconds of almost 70 elements (Z=2 to 88) have been produced at intensities up to 1011 atoms per ma proton beam. The target and ion source must be held at a precise voltage with respect to a grounded extraction electrode to provide the requisite acceleration. If there is to be high mass resolution in the downstream separator it is extremely important that there be exceptional stability of this accelerating voltage. The target, ion source and extraction electrode are in vacuum and the vacuum tank of the target is raised to full accelerating potential. The impacting proton beam in the target ionizes the air. This ionization can perturb the accelerating voltage because it represents a significant additional load on the power supply. Concern over this risk and the major problem of voltage stabilization prompted the proposal that the accelerating voltage should be modulated to zero for the critical period when protons would be striking the target. Agreement was reached that this would be acceptable provided that the stable accelerating voltage of 60 kv +/- 1 V would be interrupted for less than 10 ms, so still allowing the detection of very short life-time radio isotopes. Beam gating would be required to prevent ion beams entering the separator for the entire period that the accelerating voltage was modulated from its stable value. Actually, the circuit topology of the target negative voltage modulator is based on a custom-built positive high-voltage d.c. power supply (60 kv) connected, through a pulse transformer and a hard-tube (tyratron), to a resonant circuit such that prior to beam impact the target is fully discharged to zero by the resonant circuit in about 35µs, remains close enough to zero during beam impact, does not over-swing by more than 2.5 kv during recovery and finally, and of greatest importance, returns to its nominal value +/- 1 V within 6 ms [1]. This circuit topology is proven to satisfy the voltage recovery time and stability constraints. The target is simulated considering a RC parallel circuit. For positive radioactive beams the acceleration voltage is positive, in this case the actual modulator (based on pulse transformer and a hard tube switching) has a recovery time less than 10 ms and a good stability afterwards, however for negative beams the actual modulator recovery time is in the order of 50 ms, being excessive for production a stable beam of very short life-time radio isotopes. Also, the actual equivalent model of the target is not accurate and doesn t allow for precise circuit simulations. However, recent physics requests for negative ion beams have required the installation of a commercial negative 60kV d.c. power supply. Experiences during two-week negative ion runs have shown that whilst the d.c. stability of the negative power supply is within specification, the recovery time to the required stability level is of the order of 50ms, well outside the maximum 10ms required. In addition, recent use of new ion sources using so-called converter targets have substantially increased the resistive loading seen by the positive power supply immediately following proton beam impact. An observed consequence is that with maximum beam intensity and certain types of converter targets the recovery time exceeds the maximum required. Increased use of converter targets is envisaged in the future, as well as, the beam power increase in the future for the HIE-ISOLDE (High Intensity and Energy ISOLDE) will inevitably lead to degradation of the target modulators performance. After the identification of a number of requirements for the new modulator, a new circuit topology, based on the solid-state Marx concept, was developed and successfully simulated during the first project year. In the second year project a 10 kv range circuit prototype was assembled at Lisbon, based on the solid-state Marx topology [8]. In the third year project the prototype was sent to CERN where it was subjected to several test conditions in order to measure the voltage recovery time and overshoot. A 2 ms recovery time and 0.1 % overshot was achieved. The circuit is going to be optimized, until the end of the third year project, using several operating conditions, to understand the circuit limitations and the system parameters that contribute to the voltage recovery time and overshoot. In parallel, a new 10 kv prototype, besides the Marx type circuit, using two solid-state switches that hold-off the full system voltage will begin to be assembled at CERN, also.

5 This is possible considering the two teams of physics and engineers that are working in Lisbon and at CERN and, also, the project FCT/grant students (working in Lisbon) and the one ADI student that is at CERN, now a CERN Fellow. The objective of assembling two prototypes considering the same concept (i.e. using solid-state devices to isolate the stable 60 kv power supply, discharging the target during proton impact and charging it again from a capacitive bank before passing the voltage control to the 60 kv stable power supply) is the following: In the first prototype, a 10 kv range circuit, uses two semiconductor switches, in series and in parallel with the load. The series switch a unique 8 kv Behlke device, this switch is made of several MOSFETs in series but with a unique control and galvanic insulation. The parallel switch based on a ten stages solid-state Marx circuit (i.e. a voltage multiplication circuit). The series circuit connects and disconnects the load and the parallel switch discharges the load to zero and charges it again to the desirable voltage to be controlled by a HV power supply [8]. Besides the general circuit operation, it was tested the feasibility of ten stages Marx generator and the associated problems. In this case, 1200 kv semiconductor, IGBTs and diodes, and capacitors were used. In the second prototype, also a 10 kv range circuit, an important change was made. The parallel Marx switch is replaced by two unique Behlke 8 kv MOSFET switches devices. Unlike the Marx circuit, where the full voltage distributed along several switches, here the switches commutate the full voltage. Also, the capacitors used must stand the full circuit voltage. However, the circuit operation is less complex as there are fewer devices to trigger. During the next year, the two prototypes will be tested on CERN using an electrical equivalent circuit of the load, considering several operating conditions. The staff involved in the project includes a former ADI grant engineer, ADI reference: SFRH/BEST/33423/2008, working closely with the CERN team, being supervised by Tony Fowler. This engineer has presently a CERN Fellow in order to work in the same project. The CERN team also includes Tony Fowler, Jan Schipper and Baudouin Bleus from the Technology Department, Accelerator Beam Transfer Group, ABT, and Electronics & Control Section. For this fourth year the objectives are: 1. Measure the characteristics of the ISOLDE front end target, during and outside the proton beam bombardment, in order to assemble (using semiconductors) a, more realistic, equivalent electric circuit of the target both for static and dynamic conditions; 2. Finish assembling the second 10 kv prototype circuit, based on full voltage switches; 3. Compare the operation, and the resulting voltage overshot and recovery time, of the two prototypes (i.e. Marx switch circuit and full voltage switch circuit) with the new equivalent electric circuit; 4. Implement a new trigger circuit for the Marx switch prototype in order to allow a stair shape voltage waveform in the load to decrease the voltage rate of rise and fall during transient operation in the target and associate electronics; 5. Transfer the developed technology for other potential applications and introduce students and young researchers to this interdisciplinary applications oriented field, given the conditions to establish a self supported infrastructure for technology transfer for real in-situ applications. The proposed objectives are possible, considering the increase of the team working effort at CERN, in parallel with the continuation of the Lisbon research team. Taking into account that the high-voltage apparatus is assemble at CERN, where the majority of the material and human condition are to handle this range of high voltage. We hope to assist the work at CERN, by assembling some parts of the circuit in Lisbon, mainly the control parts associated with the semiconductor triggering circuits Tarefas Tasks Lista de tarefas (3) Task list (3) Designação da tarefa Task denomination Data de início Start date Data de fim End date Duração Duration Pessoas * mês Person * months New trigger board for the Marx switch ,6 da tarefa e Resultados Esperados Task description and Expected results One of the problems when discharging the load voltage and its recover after the proton beam impact is the rate of voltage rise and fall. This dv/dt issue affects all the electronics positioned at the 60 kv level, the ion source level. If the rate of voltage change is high, most of the electronics circuits don t have enough time to guarantee that all the circuits see always the same potential and consequently sparks occur during this process that can destroy the electronics. In order to limit these effects, the best solution is to decrease the rate of voltage rise and fall that the target sees. This can be done by slowing down the semiconductor switching time. However this solution is not always straightforward, for example with the high voltage Behlke semiconductor devices from the second prototype, and it inflects high dissipation losses in the semiconductors that can limit their life time. In the case of the Marx switch circuit, the first prototype, as the circuit comprises a number of switches and capacitors to charge and discharge the target, it is possible to delays the trigger of each one, making a stair shape wave form into the load. In order to achieve this, it is necessary to make a control board where all the semiconductors are trigger independently. The Lisbon team will assembled and test this board and transfer it to the modulator installed at CERN where experiments will be conducted. Membros da equipa de investigação nesta tarefa Members of the research team in this task (BI) Bolseiro de Investigação (Mestre) 1; Hiren Canacsinh; João Paulo Machado Mendes; José Fernando Alves da Silva; Luis José Lamy Rocha da Encarnação; Luis Manuel dos Santos Redondo; Designação da tarefa Task denomination Data de início Start date Data de fim End date Duração Duration Pessoas * mês Person * months Assembling the 10 kv modulator full v ,1 da tarefa e Resultados Esperados Task description and Expected results Other topological alternatives are needed in order study several approaches to the problem presented by this project, the replacement of the actual voltage target modulator, with the same reliability showed by the actual one, allowing the performance increased to the future Hi-ISOLDE project. In order to do this, a new circuit is going to be assembled, but maintaining the same concept (i.e. using solid-state devices to isolate the stable 60 kv power supply, discharging the target during proton impact and charging it again from a capacitive bank before passing the voltage control to the 60 kv stable power supply). In this prototype, also a 10 kv range circuit, an important change is made. The parallel Marx switch is replaced by two unique Behlke 8 kv MOSFET switches devices. Unlike the Marx circuit, where the full voltage distributed along several switches, here the switches commutate the full voltage. Also, the capacitors used must stand the full circuit voltage. However, the circuit operation is less complex as there are fewer devices to trigger.

6 The high voltage equipment, which includes the power supply, semiconductors and capacitors connections to the load are going to be assembled at CERN. The low voltage triggering control of the semiconductors is going to be connected by the Lisbon team, and then installed at CERN with all of the equipment. The work coordination is guarantee by the constant visits to CERN by member of the Lisbon team. The work is supported by the CERN Fellow, Rudi Soares, a former ADI grant Portuguese engineer, specially hired for this project, and also by the CERN team, including Tony Fowler, Jan Schipper and Baudouin Bleus from the Technology Department, Accelerator Beam Transfer Group, ABT, and Electronics & Control Section. In parallel, the number of people in the Lisbon research team, including a FCT grant student hired for this project, will assembled the control parts associated with the semiconductor triggering circuits. Membros da equipa de investigação nesta tarefa Members of the research team in this task (BI) Bolseiro de Investigação (Mestre) 1; Hiren Canacsinh; Jan Schipper; Luis Manuel dos Santos Redondo; Rúdi Henrique Cavaleiro Soares; Tony Fowler; Designação da tarefa Task denomination Data de início Start date Data de fim End date Duração Duration Pessoas * mês Person * months Assembling and testing the new target ,7 da tarefa e Resultados Esperados Task description and Expected results The actual equivalent electric circuit of the ISOLDE front end target is obsolete. In fact, the circuit was assembled using electronic valves, and demonstrated recently lack accuracy in reproducing the behavior, static and dynamic, of the real target. This means that the results obtained, for the voltage recovery time and overshoot, are different from the connection of the modulator to the real target and the equivalent circuit. Hence, new measurements of the ISOLDE front end target characteristics, during and outside the proton beam bombardment are going to be made. The new circuit, semiconductor based, is expected to be more accurate, both for static and dynamic conditions, should be used to tests the modulator prototypes. Membros da equipa de investigação nesta tarefa Members of the research team in this task (BI) Bolseiro de Investigação (Mestre) 1; Hiren Canacsinh; Jan Schipper; João Guilherme Martins Correia; João Paulo Machado Mendes; José Fernando Alves da Silva; Luis José Lamy Rocha da Encarnação; Luis Manuel dos Santos Redondo; Manuel Ribeiro da Silva; Maria José Ribeiro Gomes; Rúdi Henrique Cavaleiro Soares; Tony Fowler; Calendarização e Gestão do Projecto Project Timeline and Management a da Estrutura de Gestão a of the Management Structure The structure of this project is design in three major tasks that will be executed throughout the 12 months of project duration. Task 3 covers all project period because is related to assembling and testing of the new equivalent electric circuit in the two prototypes. Task 1 includes the new triggered circuit and testing and Task 2 the assembling of a new prototype. <br>the project is based on the work of two research teams, the one in Lisbon more fundamental research oriented and the other in CERN more applied research oriented. The work of both teams is organized during the project by the analysis of the results in regular meetings and reports, organized by the PI, to discuss and inform all the members about the work that is being done in each place in order to have a full collaboration from all the members and to discuss the way to go.<br><br>initially, and after several meetings at CERN and in Lisbon, the equipment has been designed; afterwards the first low voltage prototype has been developed in Lisbon and transfer to CERN. With the evolution of the work, the CERN team is getting more occupied with the experimental tasks. <br> b Lista de Milestones b Milestone List Data Date Designação da milestone Milestone denomination Two 10 kv prototypes ready for the test experiments This Milestone comprises the conclusion of the second 10 kv prototype ready, full switch circuit, for testing with the equivalent electric circuit of the target. At the same time, the first prototype has already mounted the new control board, being ready also for the new tests. Data Date Designação da milestone Milestone denomination Testing experiments ended This Milestone comprises the end of the tests with the equivalent electric circuit of the target, for both 10 kv prototype modulators. By this time, a comparison study of the performance of the two prototypes points for the circuit giving the best results, which will be mounted for higher voltages c Cronograma c Timeline Ficheiro com a designação "timeline.pdf", no 9. Ficheiros Anexos, desta Visão Global (caso exista). File with the name "timeline.pdf" at 9. Attachments (if exists) Referências Bibliográficas 3.3. Bibliographic References Referência Reference Ano Year Publicação Publication D.C. Fiander, A. Fowler, A 60 KV Modulator for the target voltage of an On-line Isotope Separator in Conference Record of the 20th Power Modulator Symposium, 1992, pp

7 L. M. Redondo, H. Canacsinh, J. Fernando Silva, Generalized Solid-state Marx Modulator Topology, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 16, No. 4, 2009, pp L. M. Redondo, J. Fernando Silva, Repetitive High-Voltage Solid-State Marx Modulator Design for Various Load Conditions, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 37, No. 8, August 2009, pp L. M. Redondo; J. Fernando Silva, Flyback Versus Forward Switching Power Supply Topologies For Unipolar Pulsed-Power Applications, IEEE Transactions on Plasma Science, Jan. 2009, vol. 37, no.1, pp L. M. Redondo, J. Fernando Silva, E. Margato, P. Tavares, High-Frequency, High-Voltage Pulse Generators, based only on semiconductors, with possibility for transformer connection, Portuguese Patent, PT , J. Fernando Silva, L. M. Redondo, H. Canacsinh High Voltage Generic Pulse Modulator, Portuguese Patent, PT , L. M. Redondo, Pulsed voltage multiplier, Portuguese Patent, PT , L.M. Redondo, J. Fernando Silva, H. Canacsinh, N. Ferrão, C. Mendes, R. Soares, J. Schipper and A. Fowler, Solid-state Marx based two-switch voltage modulator for the On-Line Isotope Mass Separator accelerator at the European Organization for Nuclear Research, Review of Scientific Instruments 81, 7, pp , Jul M. Gaudreau, J. Casey, T. Hawkey, J. Mulvaney, M. Kempkes, Solid-State Pulsed Power Systems, in Twenty Third International Power Modulator Symposium, Rancho Mirage, CA June O. Maulat, M. Roche, F. Le Coeur, Y. Arnal, J. Pelletier, O. Lesaint, A new line of high voltage high current pulse generators for PBII, in J. Vac. Sci. Technol., B 17, 879 (1999). L. M. Redondo, E. Margato, J. Fernando Silva, A new method to build a high voltage pulse supply using only semiconductor switches for plasma immersion ion implantation, in Surface and Coatings Technology, vol. 136/1-3, pp (2001). J. Klein, M. Padberg, A modular low-cost, high-voltage pulse generator that is highly effective in terms of pulse energy and repetition frequency, in Meas. Sci. Technol. 6 (1995) Willis, W. L.: Pulse-Voltage Circuits, Chapter 3 de High Power electronics, Editor Dollinger, R. E.; Sarjeant, W. James, Tab Books Inc., 1st Edition, 1989, ISBN Ghasemi, Z.; Macgregor, S.; Anderson, J.; Lamont, Y., Development of an integrated solid-state generator for light inactivation of food-related pathogenic bacteria, in Meas. Sci. Technology, Vol. 14, pp. N26-N32, O Loughlin, J.; Lehr, J.; Loree, D., High repetition rate charging a Marx type generator, in Pulse Power Plasma Science, IEEE Conference, Digest of Technical Papers, Vol. 1, pp , June Okamura, K.; Kuroda, S.; Maeyama, M., Development of the high repetitive impulse voltage generator using semiconductor switches, in 12th Pulsed Power Conference, Digest Of technical Papers, Vol. 2, pp , Rai, V.N.; Shukla, M.; Khardekar, R.K., A transistorized Marx Bank circuit providing sub-nanosecond high-voltage pulses, in Meas. Sci. Technology, Vol. 5, pp , Vardigans, S.V.G.; Cogan, D., A bipolar pulse tester for semiconductor devices, in J. Phys. E: Sci. Instrum., Vol. 19, pp , Publicações Anteriores 3.4. Past Publications Referência Reference Ano Year Equipa de investigação 4. Research team Publicação Publication D.C. Fiander, A. Fowler, A 60 KV Modulator for the target voltage of an On-line Isotope Separator in Conference Record of the 20th Power Modulator Symposium, 1992, pp L. M. Redondo, H. Canacsinh, J. Fernando Silva, Generalized Solid-state Marx Modulator Topology, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 16, No. 4, 2009, pp L. M. Redondo, J. Fernando Silva, Repetitive High-Voltage Solid-State Marx Modulator Design for Various Load Conditions, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 37, No. 8, August 2009, pp L. M. Redondo; J. Fernando Silva, Flyback Versus Forward Switching Power Supply Topologies For Unipolar Pulsed-Power Applications, IEEE Transactions on Plasma Science, Jan. 2009, vol. 37, no.1, pp L.M. Redondo, J. Fernando Silva, H. Canacsinh, N. Ferrão, C. Mendes, R. Soares, J. Schipper and A. Fowler, Solid-state Marx based two-switch voltage modulator for the On-Line Isotope Mass Separator accelerator at the European Organization for Nuclear Research, Review of Scientific Instruments 81, 7, pp , Jul Lista de membros 4.1. Members list Nome Name Função Role Grau académico Academic degree %tempo %time CV nuclear Core CV Luis Manuel dos Santos Redondo Inv. Responsável DOUTORAMENTO 40 Hiren Canacsinh Investigador MESTRADO 35 João Guilherme Martins Correia Investigador DOUTORAMENTO 15

8 José Fernando Alves da Silva Investigador AGREGAÇÃO 15 Manuel Ribeiro da Silva Investigador DOUTORAMENTO 15 Maria José Ribeiro Gomes Investigador DOUTORAMENTO 20 Jan Schipper Outro LICENCIATURA 15 João Paulo Machado Mendes Outro LICENCIATURA 50 Luis José Lamy Rocha da Encarnação Outro MESTRADO 25 Rúdi Henrique Cavaleiro Soares Outro LICENCIATURA 100 Tony Fowler Outro BACHARELATO 15 (O curriculum vitae de cada membro da equipa está disponível clicando no nome correspondente) (Curriculum vitae for each research team member is available by clicking on the corresponding name) Total: Lista de membros a contratar durante a execução do projecto 4.2. Members list to hire during project"s execution Membro da equipa Team member Função Role Duração Duration %tempo %time (BI) Bolseiro de Investigação (Mestre) 1 Bolseiro Total: 1 5. Outros projectos 5. Other projects 5.1. Projectos financiados 5.1. Funded projects Referência Reference Título Title Estado Status CERN/FP/109274/2009 Desenvolvimento dum modulador... Em curso CERN/FP/83497/2008 Desenvolvimento dum modulador... Concluído POCI/FP/81932/2007 Desenvolvimento dum modulator... Concluído (Os detalhes de cada projectos estão disponíveis clicando na referência correspondente) (Details for each project are available by clicking on the corresponding reference) Total: Candidaturas similares 5.2. Similar applications (Sem Candidaturas Similares) (No Similar applications) 6. Indicadores previstos 6. Expected indicators Indicadores de realização previstos para o projecto Expected output indicators A - Publicações Publications Livros Books Artigos em revistas internacionais Papers in international journals Artigos em revistas nacionais Papers in national journals B - Comunicações Communications Comunicações em encontros científicos internacionais Communications in international meetings Comunicações em encontros científicos nacionais Communications in national meetings C - Relatórios Reports D - Organização de seminários e conferências Organization of seminars and conferences E - Formação avançada Advanced training Teses de Doutoramento PhD theses Teses de Mestrado Master theses Outras Others F - Modelos Models G - Aplicações computacionais Software H - Instalações piloto Pilot plants I - Protótipos laboratoriais Prototypes J - Patentes Patents Total

9 L - Outros Other Acções de divulgação da actividade científica Scientific activity spreading actions In addition to the presentations for the scientific community, such in conferences and journal, we intend to widen the activity, results and applications of the topics related with this project to other communities, such as industry. This will be achieved by participating in colloquia and workshops, plus, national meetings that divulge pulsed power applications and technology, as well as, the Portuguese collaborations with CERN; a key issue for spreading the enthusiasm in young students. Additionally, we have begun the first Portuguese web page devoted to pulsed power technology and applications (http://sites.isel.ipl.pt/giaapp/). 7. Orçamento 7. Budget Instituição Proponente Principal Contractor Fundação da Faculdade de Ciências Recursos Humanos Human resources Missões Missions Consultores Consultants Aquisição de bens e serviços Service procurement and acquisitions Registo de patentes Patent registration Adaptação de edifícios e instalações Adaptation of buildings and facilities Gastos gerais Overheads TOTAL DESPESAS CORRENTES TOTAL CURRENT EXPENSES Equipamento Equipment Total ,00 0,00 0,00 0,00 0, , ,00 0,00 0,00 0,00 0, , ,00 0,00 0,00 0,00 0, , ,00 0,00 0,00 0,00 0, , ,00 0,00 0,00 0,00 0, , ,00 0,00 0,00 0,00 0, ,00 Total ,00 0,00 0,00 0,00 0, ,00 Instituições Participantes Participating Institutions (Não se encontram registadas Instituições Participantes para este projecto) (No Participating Institution has been registered for this project) Orçamento Global Global budget Recursos Humanos Human resources Missões Missions Consultores Consultants Aquisição de bens e serviços Service procurement and acquisitions Registo de patentes Patent registration Adaptação de edifícios e instalações Adaptation of buildings and facilities Gastos gerais Overheads TOTAL DESPESAS CORRENTES TOTAL CURRENT EXPENSES Equipamento Equipment Total ,00 0,00 0,00 0,00 0, , ,00 0,00 0,00 0,00 0, , ,00 0,00 0,00 0,00 0, , ,00 0,00 0,00 0,00 0, , ,00 0,00 0,00 0,00 0, , ,00 0,00 0,00 0,00 0, ,00 Total ,00 0,00 0,00 0,00 0, ,00 Plano de financiamento Finance plan Total

10 Financiamento solicitado à FCT Requested funding Financiamento próprio Own funding Outro financiamento público Other public-sector funding Outro financiamento privado Other private funding Total do Projecto Total of the project 8. Justificação do orçamento 8. Budget rationale ,00 0,00 0,00 0,00 0, , ,00 0,00 0,00 0,00 0, , Justificação dos recursos humanos 8.1. Human resources rationale Tipo Type (BI) Bolsa de Investigação (Mestre) 1 Duração (em meses) Duration (in months) Custo envolvido ( ) (calculado) Total cost ( ) (estimated) Nº de pessoas No. of persons , ,00 Outros custos ( ) Other costs ( ) It is essential to have a student here in Lisbon to follow the assembling of the control boards for the prototypes, and to send in to CERN afterwards to participate in the test experiments. The integration of students is essential in order to develop the experimental part of the project, which is very time consuming: assembling and testing of electrical circuits. Due to the electronics and physics level of the knowledge involved, it is better to integrate students with more than 5 years scholarship, in particular, students with the Master degree 8.2. Justificação de missões 8.2. Missions rationale Tipo Type Participação em congressos 2 Local Venue United States 5.000,00 Participation on conferences with presentation of work. Fee, traveling and subsistence allowance estimation. Fruitful discussions with colleagues and exchange of information about the ongoing work are essential for a good project visibility. This can be achieved through the participation in different scientific events. The most important conference in the field of pulsed power are organized in the USA, like the Pulsed Power Conference and the Power Modulator Conference. Tipo Type Trabalho de campo 4 Local Venue ISOLDE/CERN 5.000,00 Nº de deslocações No. of participations Custo envolvido ( ) Cost ( ) This is will be needed to develop collaboration work with the other project members at ISOLDE, related to the assembling and testing the voltage target modulator prototypes, depending on the annual schedule. Single week estimated costs (hotel and food) plus travel Portugal- CERN/Swiss Justificação de consultores 8.3. Consultants rationale 8.4. Justificação de aquisição de bens e serviços 8.4. Service procurement and acquisitions Nº de deslocações No. of participations Custo envolvido ( ) Cost ( ) Tipo Type Custo ( ) Cost ( ) Control circuits assembling and test 5.000,00 Estimated cost for developing, assembling and testing the control boards for the modulator prototypes in Lisbon and its transfer to CERN.

11 Tipo Type Custo ( ) Cost ( ) Solid-State switches 7.200,00 This includes the cost of two Behlke 12 kv switches for assembling in the second prototype, the full voltage switch circuit, in order to test its feasibility. HTS B, cost 3000 each plus VAT Justificação do Equipamento 8.6. Equipment rationale Equipamento já disponível para a execução do projecto Available equipment Tipo de equipamento Equipment type Laboratory associated with the Technology Department, Accelerator Beam Transfer Group, ABT, Fabricante Manufacturer Modelo Model Ano Year Several Several 2009 Tipo de equipamento Equipment type Workbench electronics at ISEL electronics laboratory Fabricante Manufacturer Discriminação do equipamento a adquirir New equipment requested Modelo Model Ano Year Several Several 2009 Tipo de equipamento Equipment type Fabricante Manufacturer Modelo Model Custo ( ) Cost ( ) Laptop Dell D630C 2.500,00 Cost estimated for one new personal computer to accomplish the work conditions necessary to handle the project propose, also, taking into consideration that the work involve the traveling of people to CERN Justificação de registo de patentes 8.7. Patent registration 8.8. Justificação de adaptação de edifícios e instalações 8.8. Adaptation of buildings and facilities 9. Ficheiros Anexos 9. Attachments :55:35 Financiado por fundos estruturais da UE e fundos nacionais do MCTES

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