Transcript ppt - IPM
معرفی طرح طراحی و ساخت شتابگر خطی الکترون محمد المعي رشتي پژوهشگاه دانشهای بنیادی 26دیماه 1390 شتابگر خطی چیست؟ – ذره باردار فقط یکبار از مسیری مستقیم عبور می کند و تحت تاثیر میدان الکتریکی انرژی جنبشی آن افزایش می یابد. – نیروی وارد بر ذره باردار در اثر میدان الکترومغناطیسی d x q dx E B 2 dt m dt 2 شتابگر خطی چیست؟ 2 d x q dx E B 2 dt m dt type of particle : charge couples with the field, mass slows the acceleration type of structure چهار نوع ذرات • الکترون (پوزیترون) • پروتون و یونهای سبک • یون های سنگین • میون ها و ذرات ناپایدار انواع شتابگرهای خطی electric field static time varying induction Radio Frequency Linac شتابگرخطی رادیوفرکانس • شتاب با میدان الکترومغناطیسی متغیر در زمان ،محدودیت شتاب با میدان الکتریکی ثابت را از بین می برد. • نخستین آزمایش توسط Wideroeدر سال 1928 • اولین شتابگر خطی توسط Sloanو Lawranceدر سال 1931در آزمایشگاه برکلی ساخته شد. اصول کار شتابگر خطی الکترومغناطیسی RF power supply • منبع تولید امواج رادیوفرکانس • کاواک که در آن امواج الکترومغناطیس منتشر می شوند. Wave guide Power coupler • باریکه ذرات بادار که از کاواک عبور می کند. Cavity طراحی شتابگر خطی • طراحی کاواک :دستیابی به میدان الکترومغناطیسی مناسب؛ کمینه کردن تلفات در جداره ها /بیشینه کردن توان امواج ذخیره شده در کاواک • محاسبه دینامیک باریکه :کنترل زمان بین باریکه و موج الکترومغناطیس؛ اطمینان از اینکه ذرات باردار هنگام شتاب گرفتن ،کمترین فضا را اشغال می کنند. cavity parameters-0 • average electric field ( E0 measured in V/m) is the space average of the electric field along the direction of propagation of the beam in a given moment in time when F(t) is maximum. L 1 E0 E z ( x 0, y 0, z )dz L0 • physically it gives a measure how much field is available for acceleration • it depends on the cavity shape, on the resonating mode and on the frequency cavity parameters-1 • Shunt impedance ( Z measured in Ω/m) is defined as the ratio of the average electric field squared (E0 ) to the power per unit length dissipated on the wall surface. Z 2 0 E L P Z 2 0 E dL dP • Physically it is a measure of well we concentrate the RF power in the useful region . NOTICE that it is independent of the field level and cavity lenght, it depends on the cavity mode and geometry. cavity parameters-2 • Quality factor ( Q dimention-less) is defined as the ratio between the stored energy and the power lost on the wall in one RF cycle 2 f Q U P • Q is a function of the geometry and of the surface resistance of the material • • superconducting : Q= 1010 normal conducting : Q=104 example at 700MHz cavity parameters-3 • filling time ( τ measured in sec) has different definition on the case of traveling or standing wave. • TW : the time needed for the electromagnetic energy to fill the cavity of length L L dz tF v z 0 g velocity at which the energy propagates through the cavity • SW : the time it takes for the field to decrease by 1/e after the cavity has been filled tF 2Q measure of how fast the stored energy is dissipated on the wall cavity parameters-4 • transit time factor ( T, dimensionless) is defined as the maximum energy gain of a particles traversing a cavity over the average field of the cavity. • Write the field as Ez( x, y, z, t ) Ez ( x, y, z)ei (t ) • The energy gain of a particle entering the cavity on axis at phase φ is • L W qE z (o, o, z )e i (t ) dz 0 • modes in a resonant cavity • TM vs TE modes • types of structures • from a cavity to an accelerator wave equation • Maxwell equation for E and B field: 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 E 0 x y z c t • • In free space the electromagnetic fields are of the transverse electro magnetic,TEM, type: the electric and magnetic field vectors are to each other and to the direction of propagation. In a bounded medium (cavity) the solution of the equation must satisfy the boundary conditions : E// 0 B 0 TE or TM modes • TE (=transverse electric) : the electric field is perpendicular to the direction of propagation. in a cylindrical cavity TE nml n : azimuthal, m : radial l longitudinal component • TM (=transverse magnetic) : the magnetic field is perpendicular to the direction of propagation n : azimuthal, TM nml m : radial l longitudinal component wave equation • • in cylindrical coordinates the solution for a TM wave can be expressed as Ez ARr e j t k z z The function () is a trigonometric function with m azimuthal periods the function R(r), is given with the Bessel function of first kind, of order m and argument sqrt (2/c2-kz2)r: 1 d 2 m2 0 d 2 d 2 R 1 dR 2 m2 2 k R 0 z dr 2 r dr c 2 r2 2 2 AJ K r Rr AJ m k r z m r c2 • ,At the boundary (a cylinder of radius a), the condition for TM waves is Ez = 0, i. e. Jm(Krr) = 0 , and the first solution (lowest frequency) is for the TM 01 wave, with Kra = 2.405 or Kr = 2.405/a • dispersion relation links, for a given wave type and mode, the frequency of oscillation to the phase advance per unit length k 2 c2 K r2 k z2 fixed by boundary conditions wave equation • consider one component of the wave equation and express the solution as a product of functions like (travelling wave case) Ez AR(r )()e j t k z z z v ph t kz being the angular frequency and kz the phase advance per unit length; • the phase velocity must be matched to the velocity of the particle that needs to be accelerated. In empty cavities Vph c so the waves must be slowed down by loading the cavity with periodic obstacles. disc loaded cavity. The obstacles delimit cells, and each cell is a resonator, coupled to its neighbours through the central aperture phase velocity /group velocity Ez AR(r )()e j t k z z moving with the wave one can put (t - kz z) = 0 z v ph t kz velocity of the wave phenomenon > c to satisfy boundary condition the electromagnetic energy propagates with the a smaller velocity, the group velocity, given by : d vg dk z wave equation cavity modes • • 0-mode Zero-degree phase shift from cell to cell, so fields adjacent cells are in phase. Best example is DTL. • • π-mode 180-degree phase shift from cell to cell, so fields in adjacent cells are out of phase. Best example is multicell superconducting cavities. • • π/2 mode 90-degree phase shift from cell to cell. In practice these are biperiodic structures with two kinds of cells, accelerating cavities and coupling cavities. The CCL operates in a π/2structure mode. This is the preferred mode for very long multicell cavities, because of very good field stability. اجزاء شتابگرخطی کاربردهای شتابگر خطی پیش شتابگر در شتابگرهای بزرگ شتابگرهای درمانی پزشکی رادیوگرافی صنعتی اجزاء شتابگر خطی ساختار شتابگر خطی شتابگر خطی ایران • • • • • • • انرژی الکترون 9-12 MeV توان 2MW : RFپالسی عرض پالس .3.5 msec :تکرار پالس ها 100Hz : فرکانس : RFحدود 3000MHz شدت جریان4mA : ساختار کاواک disk loaded cavity : نوع شتابگر TW : Rev. Sci. Instrum. 26, 134 (1955); doi:10.1063/1.1771254 (71 pages) Stanford High‐Energy Linear Electron Accelerator (Mark III) M. Chodorow, E. L. Ginzton, W. W. Hansen, R. L. Kyhl, R. B. Neal, and W. K. H. Panofsky W. W. Hansen Laboratories of Physics, Stanford University, Stanford, California (Received 2 December 1954) شتابگر خطی ایران تعداد سلولهای 21 (15) : Buncher تعداد سلولهای شتابدهنده 36 (48) : Component of the CSF linear accelerator. These are forged, machined, and then clamped together with alignment rods, of which one is shown here. Screws for tuning each cavity are illustrated. Copper disks and cylinders and the brazing washers used in the fabrication of SLAC accelerator sections. RF-Cavity Construction Techniques A short section of the CSF linear accelerator prior to insertion in a vacuum envelope. TESLA 9-cellar supper-conducting cavity Copper disks and aluminum spacers used in the fabrication of accelerator sections by the electroforming process. After plating, the aluminum spacers must de etched out with sodium hydroxide. تفنگ الکترونی • انرژی الکترونهای خروجی45kV : • شدت جریان 5mA : • نوع گسیل الکترونها :گسیل ترمویونی تفنگ الکترونی ادامه تفنگ الکترونی 1 36 کا تد گرم و شبکه مجزا و مقابل آن تمیز کاری اجزاء محفظه خالء نمای کلی تفنگ الکترونی نمای تفنگ الکترونی جعبه حاوی ترانس های ایزوله منبع تغذیه ولتاژ باال 45kV • نمای روبرو از منبع تغذیه • نمای روبرو از منبع تغذیه تست تفنگ الكتروني منبع تغذیه فرکانس باال • تولید RFبا فرکانس قابل تنظیم در محدوده: 3100 MHz • تقویت امواج تا توان 2kW • تقویت امواج تا توان 2MWبرای تزریق درشتابگر خطی 2900- تولید RFبا فرکانس قابل تنظیم در محدوده: 2900-3100 MHz تقویت امواج تا توان 2kW تقویت كننده اصلي ()2MW کاواک شتابگر :طراحی میدان الکتریکی در محور کاواک E(Z/Zmax) for 3 Modes 2.50E+06 2.00E+06 E(Z) V/m 1.50E+06 Ez(V/m) 0 degree Ez(V/m) 90 degree Ez(V/m) 180 degree 1.00E+06 5.00E+05 0.00E+00 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Z/Zmax 0.6 0.7 0.8 0.9 1 کاواک شتابگر تالش برای ساخت کاواک پاسخ كاواك شتابگر بر حسب فركانس 5 0 -5 Intensity(db) -10 -15 -20 Series1 -25 -30 -35 -40 -45 2900 2920 2940 2960 2980 3000 3020 Frequence (MHz) 3040 3060 3080 3100 کاواک ها آماده سازی قطعات برای انجام آزمایش تصویری از کیفیت صافی سطح صفحات مسی 53 آزمایش كاواك ها نمودار تغییر ضریب كیفیت كاواك بر حسب فشار 200 150 100 )Pressure(Bar 50 0 QF 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 اندازه گیري فركانس بر حسب دما و ضریب كیفیت كاواك ها()Q=8000 نحوه ساخت كاواك طراحی خوشه ساز پایان