accfys 8a (48-2a) Linacs · Linac animation. Drift rørs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet)...

13
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)

Transcript of accfys 8a (48-2a) Linacs · Linac animation. Drift rørs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet)...

Page 1: accfys 8a (48-2a) Linacs · Linac animation. Drift rørs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet) • En (lang) kavitet der benyttes i en TM 010 mode – Dvs feltet svinger med samme

Moderne acceleratorers fysik og anvendelseForelæsning 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)

Page 2: accfys 8a (48-2a) Linacs · Linac animation. Drift rørs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet) • En (lang) kavitet der benyttes i en TM 010 mode – Dvs feltet svinger med samme

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 IItænkt 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

Page 3: accfys 8a (48-2a) Linacs · Linac animation. Drift rørs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet) • En (lang) kavitet der benyttes i en TM 010 mode – Dvs feltet svinger med samme

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 fasehastighedog gruppehastighed kan blive mindreend lysets hastighed

vph<c og vg<c

• Husk vph=ω/kz og vg=dω/dkz2

Page 4: accfys 8a (48-2a) Linacs · Linac animation. Drift rørs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet) • En (lang) kavitet der benyttes i en TM 010 mode – Dvs feltet svinger med samme

Dispersionsfunktionen

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

• Derfor ingen ændringaf dispersionen

• Desto mere paralleldesto mereindflydelse

• Positiv interferens af reflektionerne vedkz*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

Page 5: accfys 8a (48-2a) Linacs · Linac animation. Drift rørs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet) • En (lang) kavitet der benyttes i en TM 010 mode – Dvs feltet svinger med samme

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 beametInput af elektromagnetisk bølge i den første celleAbsorption af den overskydende effekt efter den sidste celle i en terminering

Partiklerne skydes ind langs aksen af dics-loaded bølgeleder

Page 6: accfys 8a (48-2a) Linacs · Linac animation. Drift rørs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet) • En (lang) kavitet der benyttes i en TM 010 mode – Dvs feltet svinger med samme

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

Page 7: accfys 8a (48-2a) Linacs · Linac animation. Drift rørs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet) • En (lang) kavitet der benyttes i en TM 010 mode – Dvs feltet svinger med samme

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

Page 8: accfys 8a (48-2a) Linacs · Linac animation. Drift rørs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet) • En (lang) kavitet der benyttes i en TM 010 mode – Dvs feltet svinger med samme

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 velocityInsensitive to geometrical errorsSmall 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

Page 9: accfys 8a (48-2a) Linacs · Linac animation. Drift rørs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet) • En (lang) kavitet der benyttes i en TM 010 mode – Dvs feltet svinger med samme

Medicinsk elektron linac

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

microwaves incoupling cavity

Normal cavity

TW acceleration: Choice of frequencyLow frequency:Large mechanical tolerancesLarge beam apertureWake 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 MHZGradient: 6 MV/mGradient: 6 MV/m

CLIC cavities: 30 GHZCLIC cavities: 30 GHZGradient: 150 MV/mGradient: 150 MV/m

Page 10: accfys 8a (48-2a) Linacs · Linac animation. Drift rørs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet) • En (lang) kavitet der benyttes i en TM 010 mode – Dvs feltet svinger med samme

ASP Linac (Melbourne, Australien)

• 100 MeV, 3 GHz elektron linac

Linac animation

Page 11: accfys 8a (48-2a) Linacs · Linac animation. Drift rørs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet) • En (lang) kavitet der benyttes i en TM 010 mode – Dvs feltet svinger med samme

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

Page 12: accfys 8a (48-2a) Linacs · Linac animation. Drift rørs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet) • En (lang) kavitet der benyttes i en TM 010 mode – Dvs feltet svinger med samme

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 beamFocusing of beamAcceleration of beam

No beamloss!

• 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)

microwaveinput

Page 13: accfys 8a (48-2a) Linacs · Linac animation. Drift rørs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet) • En (lang) kavitet der benyttes i en TM 010 mode – Dvs feltet svinger med samme

RF quadrupole (RFQ) linac

microwaveinput

Focusing and acceleration in an RFQ:

Transverse component of E: FocusingLongitudinal component of E: Acceleration

ion

RFQ electrodes

E field

Mode: TE210(modified bythe vanes)