accfys 8a (48-2a) Linac animation. Drift rأ¸rs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet) •...

download accfys 8a (48-2a) Linac animation. Drift rأ¸rs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet) • En (lang)

If you can't read please download the document

  • date post

    17-Oct-2020
  • Category

    Documents

  • view

    0
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of accfys 8a (48-2a) Linac animation. Drift rأ¸rs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet) •...

  • Moderne acceleratorers fysik og anvendelse Forelæsning 8a

    Linac’s

    Tak til Lars Præstegaard, som jeg har stjålet en del slides fra

    Linac’s: Indledning

    • LINAC: LINær Accelerator – Mange accelererende strukturer (kaviteter) på linje efter

    hinanden – Ønsker høj energitilvækst på kort afstand

    • Store accelererende gradienter => • Høj power => • Stor varmeafsættelse => • Pulseret

    – Injektor • f.eks. til synkrotron

    – Undgår at bøje beamet • Ingen dipol magneter

    – svært at lave dipol felter >~ 10 T

    • Ingen SR tab

    – Næste ”verdens største accelerator” bliver en Linac • ILC (International Linear Collider)

    – 1 TeV elektron accelerator, 50 km lang (superledende kavititer)

  • Tænkt LEP II

    E(GeV) B(T) ρ(m) I (mA) U0 (GeV) P (MW)

    LEP 105 0,116 3025 6 3,56 22

    LEP II tænkt upgrade

    210 0,232 3025 6 57 352

    Studstrup: 700 MW

    • Energitab/omgang: U0(keV) = 88,5*E4(GeV) / ρ(m) • Udstrålet effekt: P(kW) = U0(keV)*I(A)

    • ρ er afbøjningsradius i bøjemagneterne

    Acceleration af en fremadskridende bølge

    • Kræver at bølgens hastighed er den samme som partiklens hastighed

  • Bølgeledere

    • TM mode har longitudinalt elektrisk felt – Kan bruges til acceleration – Men problem med fasehastighed – Så tidligere at vph>c

    Disk-loaded waveguide

    • For at ”bremse” de elektromagnetiske bølger indfører man blænder

    • Blænderne ændre dispersions- funktionen så både fasehastighed og gruppehastighed kan blive mindre end lysets hastighed

    vph

  • Dispersionsfunktionen

    • For kz=0 (lz=∞) er bølgekomposanterne vinkelret på udbredelsen

    • Derfor ingen ændring af dispersionen

    • Desto mere parallel desto mere indflydelse

    • Positiv interferens af reflektionerne ved kz*2L≈n*2π, n=1,2,3,.. (kz=n*π/L)

    2

    Indkobling af power

    • Feltet fra en TE10 bølge i en tilkoblet bølgeleder ”passer” med feltet fra en TM01 bølge i vores disc-loaded struktur

  • Travelling wave (TW) acceleration

    Resistivt tab i væggene + Energi overførelse til beamet ⇒ Reduktion af mikrobølge effekten langs med disc-loaded bølgeleder:

    Default.htm

    Travelling wave acceleration

    Travelling wave (TW) acceleration: Disk-loaded bølgeleder (nedbremsning af bølgen) Bølgen er synkron med beamet Input af elektromagnetisk bølge i den første celle Absorption af den overskydende effekt efter den sidste celle i en terminering

    Partiklerne skydes ind langs aksen af dics-loaded bølgeleder

  • Modes

    • Man kan kun have tabsfri udbredelse hvis blændeafstanden er lig et helt antal af den longitudinale bølgelængde

    • π mode: kræver lang indsvingningstid • π/2 mode: lav gradient (lav energi

    tilvækst • 2π/3 mode: godt kompromis

    Shunt impedans

    • På samme måde som for en kavitet kan vi definere en shunt impedans for en Linac

    • Her er – r0: Shunt impedansen (per længde) – U: Den spændingsforskel en partikel ser over længden l – PRF: RF poweren – K er en korrektionsfaktor (~0.8)

    • Shunt impedansen afhænger af geometrien

  • Travelling wave acceleration

    • Konstant shunt impedans – Geometrien er konstant – Gradienten (accelerationsspændingen) ændrer sig

    • da effekten bliver mindre hen igennem Linac’en

    • Konstant gradient – Man ændrer shunt impedansen (f.eks. blændediameteren)

    undervejs i strukturen, således at gradienten holdes konstant

    Fremadskridende eller stående bølger

  • Stående bølge (SW) acceleration

    SW acceleration med π mode:

    Partikel i hver anden kavitet

    Her er summen af de bølger nul

    Biperiodisk struktur

    0- and π-modes: Large energy gain

    Large group velocity Insensitive to geometrical errors Small energy gain

    π/2-mode:

    π/2 mode

    bi-periodic π/2 mode

    coupling cavity (magnetic coupling)

    Biperiodic π/2-mode SW accelerating structure: All advantages for 0, π/2, π-modes

  • Medicinsk elektron linac

    Varian 600c biperiodic π/2-mode SW structure:

    microwaves incoupling cavity

    Normal cavity

    TW acceleration: Choice of frequency Low frequency: Large mechanical tolerances Large beam aperture Wake fields ∝ ω2 (long.)/ω3 (transv.) Stored energy per unit length (∝ω-2)

    High frequency: Efficient acceleration (Zs∝ω½) Higher threshold for breakdown

    LEP cavities: 350 MHZLEP cavities: 350 MHZ Gradient: 6 MV/mGradient: 6 MV/m

    CLIC cavities: 30 GHZCLIC cavities: 30 GHZ Gradient: 150 MV/mGradient: 150 MV/m

  • ASP Linac (Melbourne, Australien)

    • 100 MeV, 3 GHz elektron linac

    Linac animation

  • Drift rørs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet) • En (lang) kavitet der benyttes i en TM010 mode

    – Dvs feltet svinger med samme fase gennem hele strukturen • Rør der skærmer partiklerne når feltet vender forkert

    – Rørenes længde skal afpasses partiklernes hastighed • Ofte anvendt til middelstore energier for ioner (op til 100 MeV)

    – β ~ 0.03 – 0.4 – Injektor til synkrotron – Typiske frekvenser 100-200 MHz

    RFRFn fvvTL ==

    Alvarez Vs. Wideröe

    • Wideröe – Ikke resonant – Kan (principelt) ændre frekvens og

    dermed hastighedsspan – π mode

    • feltretning skifter fortegn fra gab til gab

    – Bruges ikke i dag • Alvarez (DTL)

    – Fastlagt frekvens • Resonant => større feltstyrke => større

    energitilvækst

    – Fastlagt hastighedsspan – 0 eller 2π mode

    • samme feltretning i alle gab – Kan (principielt) ændre partikel (masse) ved at

    ændre feltets amplitude (og dermed energitilvækst)

    – Bruges i dag

    qUnEE

    fLmEv

    startn

    RFnnn

    ⋅+=

    ⋅== 2

  • GSI (UNILAC) Alvarez DTL

    • 60 m long (5 tanke), 108 MHz • Accelerer fra 1.4 MeV/u til 11.4 MeV/u (fuldt strippede)

    RF quadrupole (RFQ) linac

    RFQ linac: Bunching of beam Focusing of beam Acceleration of beam

    No beam loss!

    • Acceleration of low velocity beams: 0.01-0.06 times c (ions), From ~50 keV to some MeV

    • Again a resonant structure • Often preaccelerator for regular ion linacs

    (DTLs) • Replaces often DC preaccelerators • Electric force stronger than magnetic

    force for low velocities • Velocity-independent focusing (focusing

    by electric field)

    microwave input

  • RF quadrupole (RFQ) linac

    microwave input

    Focusing and acceleration in an RFQ:

    Transverse component of E: Focusing Longitudinal component of E: Acceleration

    ion

    RFQ electrodes

    E field

    Mode: TE210 (modified by the vanes)