RF Signal Control Using an ADALM-PLUTO SDR for the Excitation of Resonant Cavities

Abstract

In the field of particle accelerators, one of the core components are the Radio Frequency (RF) cavities, responsible for exponentially increasing the velocity of the subatomic particles traveling within the system. These metal lic structures are driven by RF power amplifiers that provide the necessary energy to induce resonance, sustaining the electromagnetic fields within the cavities, which are the true force behind particle propulsion. This master’s thesis focuses on evaluating the feasibility of an alterna tive to the RF signal generators currently used for cavity control, such as klystrons or gyrotrons, devices that are often complex and very expensive for smaller research groups with limited resources. Specifically, this work explores the potential of Software Defined Radio (SDR) technology, utiliz ing the ADALM-PLUTO, to serve as a viable replacement. This approach offers a compact, user-friendly, and cost-effective solution, making it more accessible to a wider audience while maintaining a professional level of per formance. The timing to contribute to this sector is ideal, as it aligns with the establishment of IFMIF-DONES in Granada, a significant project in the f ield of nuclear fusion that will offer numerous opportunities and open doors for future advancements. The document begins with an introduction and contextualization of par ticle accelerators, alongside a review of the state of the art for the different tools used for RF cavities control. Then the ADALM-PLUTO SDR is stud ied in depth, focusing on understanding its functionality in order to develop an application capable of fully controlling its radio parameters, both for transmission and reception. Finally, its operation will be tested in a real RF scenario, and future steps for further development will be proposed.

En el campo de los aceleradores de partículas, uno de los componentes principales son las cavidades de Radiofrecuencia (RF), responsables de incrementar la velocidad de las partículas subatómicas que viajan dentro del sistema. Estas estructuras metálicas funcionan gracias a unos amplificadores de potencia que proporcionan la energía necesaria para inducir resonancia y mantener los campos electromagnéticos en su interior. Esta tesis se centra en evaluar una alternativa a los generadores de señales RF utilizados actualmente para el control de cavidades, como son los klystrons o los gyrotrons, dispositivos que suelen ser complejos y muy costosos para grupos de investigación pequeños con recursos limitados. Concretamente, se analiza el potencial de la tecnología de Radio Definida por Software (SDR) como una opción viable, utilizando el ADALM-PLUTO. Este enfoque ofrece una solución compacta, fácil de usar y rentable, haciéndola accesible a un público más amplio, manteniendo al mismo tiempo un nivel de rendimiento profesional. Además, es un momento ideal para contribuir a este sector, ya que coincide con la llegada de IFMIF-DONES a Granada, un proyecto relevante en el ámbito de la fusión nuclear que ofrecerá numerosas oportunidades y que abrirá puertas a futuros avances. El documento comienza con una introducción y contextualización de los aceleradores de partículas, junto con una revisión del estado del arte de las diferentes herramientas usadas para el control de cavidades resonantes. A continuación, se estudia en profundidad el SDR ADALM-PLUTO, enfocándose en comprender su funcionalidad para desarrollar una aplicación capaz de gestionar al completo sus parámetros de radio, tanto en transmisión como en recepción. Finalmente, se evaluará su funcionamiento en un escenario real de RF, y se propondrán pasos futuros para su desarrollo