طرح معرفیخطی شتابگر ساخت و طراحی

الکترون

رشتي المعي محمدبنیادی دانشهای پژوهشگاه

1390دیماه 26

چیست؟ خطی شتابگر

مستقیم – مسیری از یکبار فقط باردار ذرهالکتریکی میدان تاثیر تحت و کند می عبور

. یابد می افزایش آن جنبشی انرژیمیدان – اثر در باردار ذره بر وارد نیروی

الکترومغناطیسی

B

dt

xdE

m

q

dt

xd

2

2

چیست؟ خطی شتابگر

B

dt

xdE

m

q

dt

xd

2

2

type of particle : charge couples with the

field, mass slows the

acceleration

type of structure

ذرات نوع چهار

•) پوزیترون ) الکترون

سبک • یونهای و پروتون

سنگین • های یون

ناپایدار • ذرات و ها میون

خطی شتابگرهای انواع

electric field

static time varying

induction

Radio Frequency Linac

رادیوفرکانس شتابگرخطی

الکترومغناطیسی • میدان با در شتاب متغیرالکتریکی زمان میدان با شتاب محدودیت ،

. برد می بین از را ثابت

توسط • آزمایش سال Wideroeنخستین در1928

توسط • خطی شتابگر Lawranceو Sloanاولینسال .1931در شد ساخته برکلی آزمایشگاه در

خطی شتابگر کار اصولالکترومغناطیسی

امواج • تولید منبعرادیوفرکانس

امواج • آن در که کاواکالکترومغناطیس . شوند می منتشر

که • بادار ذرات باریکهمی عبور کاواک از

کند.

RF power supply

Wave guide

Power coupler

Cavity

خطی شتابگر طراحی

کاواک • میدان: طراحی به دستیابیکردن کمینه مناسب؛ الکترومغناطیسی / توان کردن بیشینه ها جداره در تلفات

کاواک در شده ذخیره امواج

• : باریکه دینامیک بین محاسبه زمان کنترلاطمینان الکترومغناطیس؛ موج و باریکه

گرفتن، شتاب هنگام باردار ذرات اینکه از. کنند می اشغال را فضا کمترین

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.

• 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

L

z dzzyxEL

E0

0 ),0,0(1

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.

• 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.

P

LEZ

20

dP

dLEZ

20

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

• Q is a function of the geometry and of the surface resistance of the material

• superconducting : Q= 1010 • normal conducting : Q=104

UP

fQ

2

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

• SW : the time it takes for the field to decrease by 1/e after the cavity has been filled

t

dz

v zFg

L

0

Q

tF2

velocity at which the energy propagates through the cavity

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

• The energy gain of a particle entering the cavity on axis at phase φ is

• L

tiz dzezooqEW

0

)(),,(

)(),,(),,,( tiz ezyxEtzyxEz

• 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:

• 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 :

2

2

2

2

2

2 2

2

2

10

x y z c tE

0//

E

0

B

TE or TM modes• TE (=transverse electric) : the electric field is

perpendicular to the direction of propagation. in a cylindrical cavity

• TM (=transverse magnetic) : the magnetic field is perpendicular to the direction of propagation

TEnml

nmlTMn : azimuthal ,

m : radial

l longitudinal component

n : azimuthal ,

m : radial

l longitudinal component

wave equation

• in cylindrical coordinates the solution for a TM wave can be expressed as

•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:

• ,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

22 2

cK kr z

01 2

2

2

m

d

d

d R

dr r

dR

dr ck

m

rRz

2

2

2

22

2

2

10

rKAJrk

cAJrR rmzm

2

2

2

zktjz

zerARE

fixed by boundaryconditions

wave equation• consider one component of the wave equation and express the solution as a product of

functions like (travelling wave case)

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.

zktjz

zerARE )()(z

t kv

zph

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

zktjz

zerARE )()(moving with the wave one can put (t - kz z) = 0

the electromagnetic energy propagates with the a smaller velocity, the group velocity, given by:

vd

dkgz

z

t kv

zph

velocity of the wave

phenomenon > c to satisfy boundary condition

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.

شتابگرخطی اجزاء

خطی شتابگر کاربردهای

بزرگ شتابگرهای در شتابگر پیش

پزشکی درمانی شتابگرهای

صنعتی رادیوگرافی

خطی شتابگر اجزاء

خطی شتابگر ساختار

ایران خطی شتابگر

الکترون • MeV 12-9انرژی

پالسی RF : 2MWتوان •پالس : • ها. : sec 3.5عرض پالس تکرار

100Hz3000MHzحدود : RFفرکانس •• : جریان 4mAشدتکاواک : • disk loaded cavityساختارشتابگر : • TWنوع

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)

ایران خطی شتابگر

سلولهای Buncher : (15)21تعدادشتابدهنده : سلولهای 36 ( 48)تعداد

RF-Cavity Construction Techniques

Copper disks and cylinders and the brazing washers used in the fabrication of SLAC accelerator sections.

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.

A short section of the CSF linear accelerator prior to insertion in a

vacuum envelope.

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.

TESLA 9-cellar supper-conducting

cavity

الکترونی تفنگ

• : خروجی الکترونهای 45kVانرژیجریان : • 5mAشدت

ترمویونی : • گسیل الکترونها گسیل نوع

الکترونی تفنگ

1ادامه تفنگ الکترونی

خالء محفظه اجزاء کاری تمیز مقابل و مجزا شبکه و گرم تد کاآن

36

الکترونی تفنگ کلی نمای

نمای تفنگ الکترون

ی

ایزوله های ترانس حاوی جعبه

باال ولتا ژ تغذيه 45kVمنبع

منبع • از روبرو نمایتغذیه

منبع • از روبرو نمایتغذیه

الكتروني تفنگ تست

باال فرکانس تغذیه منبع

در RFتولید • تنظیم قابل فرکانس باMHz 3100-2900محدوده:

توان • تا امواج 2kWتقویت

توان • تا امواج تزریق 2MWتقویت برایخطی درشتابگر

تنظیم RFتولید قابل فرکانس با : محدوده MHz 3100-2900در

توان تا امواج 2kWتقویت

اصلي ) كننده (2MWتقويت

: طراحی شتابگر کاواک

محور در الکتریکی میدانکاواک

E)Z/Zmax( for 3 Modes

0.00E+00

5.00E+05

1.00E+06

1.50E+06

2.00E+06

2.50E+06

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Z/Zmax

E)Z

( V

/m Ez)V/m( 0 degree

Ez)V/m( 90 degree

Ez)V/m( 180 degree

شتابگر کاواک

کاواک ساخت برای تالش

پاسخكاواكشتابگربرحسبفركانس

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

2900 2920 2940 2960 2980 3000 3020 3040 3060 3080 3100

Frequence )MHz(

Inte

nsi

ty)d

b(

Series1

کاواک ها

انجام برای قطعات سازی آمادهآزمایش

صافی کیفیت از تصویریمسی صفحات سطح

53

ها كاواك آزمايش

بر كاواك كيفيت ضريب تغيير نمودارفشار حسب

0100020003000400050006000700080009000

0 50 100 150 200

Pressure)Bar(

QF

حسب بر فركانس گيري اندازهكاواك كيفيت ضريب و دما

(Q=8000ها)

كاواك ساخت نحوه

ساز خوشه طراحی

پایان