معرفی طرح طراحی و ساخت شتابگر خطی الکترون

1. معرفی طرحطراحی و ساخت شتابگر خطی الکترون محمد لامعي رشتي پژوهشگاه دانشهای بنیادی 26 دیماه 1390

2. 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

3. شتابگر خطی چیست؟ type of particle : charge couples with the field, mass slows the acceleration type of structure

4. چهار نوع ذرات • الکترون (پوزیترون) • پروتون و یونهای سبک • یون های سنگین • میون ها و ذرات ناپایدار

5. انواع شتابگرهای خطی

6. شتابگرخطی رادیوفرکانس • شتاب با میدان الکترومغناطیسی متغیر در زمان، محدودیت شتاب با میدان الکتریکی ثابت را از بین می برد. • نخستین آزمایش توسط Wideroe در سال 1928 • اولین شتابگر خطی توسط Sloan و Lawrance در سال 1931 در آزمایشگاه برکلی ساخته شد.

7. RF power supply Wave guide Power coupler Cavity اصول کار شتابگر خطی الکترومغناطیسی • منبع تولید امواج رادیوفرکانس • کاواک که در آن امواج الکترومغناطیس منتشر می شوند. • باریکه ذرات بادار که از کاواک عبور می کند.

8. 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.

9. cavity parameters-0 • average electric field ( E0 measured inV/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

10. cavity parameters-1 • Shunt impedance ( Zmeasured inΩ/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.

11. 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 example at 700MHz

12. 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 velocity at which the energy propagates through the cavity measure of how fast the stored energy is dissipated on the wall

13. 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

14. modes in a resonant cavity TM vs TE modes types of structures from a cavity to an accelerator

15. 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 :

16. 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 n : azimuthal, m : radial l longitudinal component n : azimuthal, m : radial l longitudinal component

17. fixed by boundary conditions 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

18. 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. disc loaded cavity. The obstacles delimit cells, and each cell is a resonator, coupled to its neighbours through the central aperture

19. phase velocity /group velocity 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 : velocity of the wave phenomenon > c to satisfy boundary condition

20. wave equation

21. 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.

22. اجزاء شتابگرخطی

23. کاربردهای شتابگر خطی

24. پیش شتابگر در شتابگرهای بزرگ

25. شتابگرهای درمانی پزشکی

26. رادیوگرافی صنعتی

27. اجزاء شتابگر خطی

28. ساختار شتابگر خطی

29. شتابگر خطی ایران • انرژی الکترون 9-12 MeV • توان RF : 2MW پالسی • عرض پالس : 3.5 msec. تکرار پالس ها : 100Hz • فرکانس RF : حدود 3000MHz • شدت جریان: 4mA • ساختار کاواک : disk loaded cavity • نوع شتابگر : TW

30. 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)

31. شتابگر خطی ایران تعداد سلولهای Buncher : (15)21 تعداد سلولهای شتابدهنده :(48) 36

33. 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 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. TESLA 9-cellar supper-conducting cavity

34. تفنگ الکترونی انرژی الکترونهای خروجی: 45kV شدت جریان : 5mA نوع گسیل الکترونها : گسیل ترمویونی

35. تفنگ الکترونی

36. ادامه تفنگ الکترونی 1 تمیز کاری اجزاء محفظه خلاء کا تد گرم و شبکه مجزا و مقابل آن 36

37. نمای کلی تفنگ الکترونی

38. نمای تفنگ الکترونی

39. جعبه حاوی ترانس های ایزوله

40. منبع تغذيه ولتا‍ژ بالا 45kV • نمای روبرو از منبع تغذیه • نمای روبرو از منبع تغذیه

41. تست تفنگ الكتروني

42. منبع تغذیه فرکانس بالا • تولید RF با فرکانس قابل تنظیم در محدوده: 2900-3100 MHz • تقویت امواج تا توان 2kW • تقویت امواج تا توان 2MW برای تزریق درشتابگر خطی

43. تولید RF با فرکانس قابل تنظیم در محدوده: 2900-3100 MHz

44. تقویت امواج تا توان 2kW

46. تقويت كننده اصلي (2MW)

47. کاواک شتابگر: طراحی

48. میدان الکتریکی در محور کاواک

49. کاواک شتابگر

50. تلاش برای ساخت کاواک