La presente tesis se centra en el estudio de las limitaciones, debidas principalmente a fenómenos de breakdowns, en el rendimiento de estructuras aceleradoras de radiofrecuencia (RF) de alto gradiente (HG) y de conductividad normal. La formación de arcos en vacío perturban los campos electromagnéticos de las cavidades, lo cual afecta en la calidad del haz de partículas acelerado. El proyecto de Compact Linear Collider (CLIC) estudia la viabilidad de un colisionador lineal electrón-positrón en la escala de energía centro de masa del TeV, y desarrolla las estructuras aceleradoras de última generación para alcanzar altos gradientes de 100 MV/m con una tasa máxima de fenómenos de breakdowns de 3e(-7) eventos por pulso y por metro de acelerador. CLIC ha establecido un amplio programa experimental para el diseño y el test de estructuras aceleradoras eficientes y compactas, gracias a la construcción de tres bancos de prueba de RF a alta potencia en la banda X (12 GHz), conocidos como Xbox, y un sistema pulsado en corriente continua, conocido como Large Electrode System (LES). El Capítulo 1 introduce los conceptos básicos relacionados con los aceleradores lineales (linacs) y la clasificación de los diferentes diseños de RF de las estructuras. Las ventajas que ofrece la tecnología de alto gradiente han sido presentadas para diferentes aplicaciones, tales como Futuros Colisionadores Lineales, linacs destinados a terapia oncológica con hadrones (hadron therapy), láseres de electrones libres (FEL) y láseres de retrodispersión Compton. El Capítulo 2 hace una descripción bibliográfica de los recientes estudios realizados para entender la fenomenología de los breakdowns y sus consecuencias a la hora de diseñar estructuras aceleradoras. En el Capítulo 3, describimos con detalle los laboratorios de alto gradiente operativos en el CERN para la realización de tests de estructuras y componentes RF que ayudan al avance en el diseño y construcción de futuras estructuras, al mismo tiempo que permiten realizar un estudio exhaustivo de la fenomenología de breakdowns. Los diferentes estudios realizados para esta tesis son presentados en el Capítulo 4, los cuales se han llevado a cabo en las Xbox y el LES. Las técnicas empleadas para la localización de breakdowns en estructuras RF durante la operación de las Xbox se describen con detalle junto a resultados experimentales. También se ha realizado un estudio estadístico de la ocurrencia aleatoria de breakdowns para poder comprender los mecanismos que desencadenan estos fenómenos. Según las observaciones experimentales, se ha presentado la formulación de un modelo que incluye una tasa doble de eventos de breakdowns. En este capítulo incluimos un estudio del condicionamiento RF en estructuras aceleradoras de alto gradiente basado en un análisis comparativo de la evolución temporal de los tests de varios prototipos en el CERN y KEK. Los resultados han dado lugar a una nueva forma de entender el proceso de condicionamiento de estas estructuras que permitiría optimizar el tiempo necesario para alcanzar los gradientes más altos. También se ha realizado un estudio preliminar del posible efecto negativo en el uso de compresores de pulso para el rendimiento de estructuras de alto gradiente, debido al exceso de potencia RF que es enviado antes y después del pulso rectangular comprimido. En este caso, se han comparado los datos experimentales con simulaciones de posibles magnitudes que puedan afectar a los resultados de breakdowns. El Capítulo 5 se centra en la descripción del experimento de beam-loading en CTF3 (CERN), junto a los primeros resultados experimentales obtenidos, el cual trata de estudiar el efecto de la presencia de un haz de electrones en la tasa de ocurrencia de breakdowns en un prototipo acelerador de alto gradiente de CLIC. Finalmente, el Capítulo 6 resume las actividades desarrolladas en el CERN centradas en el diseño de linacs para terapia con hadrones. Este capítulo también describe la infraestructura y los planes de trabajo del nuevo laboratorio IFIC HG-RF que se encuentra en construcción en Valencia para el estudio fenomenológico de breakdowns para aceleradores de alto gradiente en la banda S (3 GHz).

The present thesis is focused on the study of the breakdown limitations for the high-gradient (HG) performance of normal-conducting Radio-Frequency (RF) accelerating structures. The formation of vacuum arcs perturbs the electromagnetic fields of the cavities and affects in the quality of the accelerating beam. The Compact Linear Collider (CLIC) project studies the feasibility of a multi-TeV e+e- linear collider and develops the current state-of-the-art HG structures to achieve accelerating gradients of 100 MV/m with a maximum breakdown rate of 3e(-7) breakdowns per pulse per meter. A wide experimental programme is established by CLIC for the design and test of efficient and compact accelerating structures, thanks to the construction of three X-band high-power test stands, also known as Xboxes, and the pulsed-DC Large Electrode system dedicated to breakdowns studies. Chapter 1 introduces the basic concepts related to linear accelerators and the classification of different designs of RF accelerating structures. The advantages that HG technology offers are also described for different applications, such as Future Linear Colliders, hadron therapy linacs, Free Electron Lasers and Compton backscattering light sources. A bibliographic description of the current understanding of breakdown phenomena and their consequences in the designs of HG accelerating structures is made in Chapter 2. In Chapter 3, we describe in detail the existing HG test facilities operated for the sake of advancing in the design and construction of HG accelerators, as well as for the better understanding of the RF breakdown mechanisms. Different breakdown studies are presented in Chapter 4, which have been carried out at the Xboxes and pulsed-DC Large Electrode system. The techniques used for the localization of breakdowns in RF structures at the Xboxes are presented in detail with experimental results. A statistical study of breakdown occurrences is also made to understand the underlying random process of these events and the formulation of a double breakdown rate model is presented in agreement with the observations. The study of the RF conditioning in HG accelerating structures is made based on a comparative analysis of different conditioning histories of prototypes tested at CERN and KEK, which have led to new insights that may allow to efficiently reduce the time to achieve their best performance. A preliminary study is performed in Xbox-2 to analyse the possible negative effect of the use of a pulse compressor on the breakdown performance of HG prototypes, due to the excess of RF power that is driven before and after the compressed rectangular-shaped pulse. Experimental data is compared with simulations of possible candidates that may affect in the breakdown rate results. Chapter 5 is focused on the description and first experimental results of the beam-loading experiment, which aims at studying the effect of the presence of the beam on the breakdown rate in a CLIC HG accelerating structure due to the alteration of the longitudinal gradient profile. Finally, Chapter 6 summarizes the current activities in the development of HG hadron therapy linacs at CERN. This chapter also describes the infrastructure and future plans of the new IFIC HG-RF laboratory that is under construction in Valencia for the study of the phenomenology of breakdowns in S-band HG accelerators.