معرفی طرح طراحی و ساخت شتابگر خطی الکترون

معرفی طرح طراحی و ساخت شتابگر خطی الکترون

اسلاید 1: معرفی طرح طراحی و ساخت شتابگر خطی الکترون محمد لامعي رشتيپژوهشگاه دانشهای بنیادی26 دیماه 1390

اسلاید 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

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

اسلاید 4: چهار نوع ذراتالکترون (پوزیترون)پروتون و یونهای سبکیون های سنگینمیون ها و ذرات ناپایدار

اسلاید 5: انواع شتابگرهای خطی

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

اسلاید 7: اصول کار شتابگر خطی الکترومغناطیسیمنبع تولید امواج رادیوفرکانسکاواک که در آن امواج الکترومغناطیس منتشر می شوند.باریکه ذرات بادار که از کاواک عبور می کند.RF power supplyWave guidePower couplerCavity

اسلاید 8: طراحی شتابگر خطیطراحی کاواک: دستیابی به میدان الکترومغناطیسی مناسب؛ کمینه کردن تلفات در جداره ها/ بیشینه کردن توان امواج ذخیره شده در کاواکمحاسبه دینامیک باریکه: کنترل زمان بین باریکه و موج الکترومغناطیس؛ اطمینان از اینکه ذرات باردار هنگام شتاب گرفتن، کمترین فضا را اشغال می کنند.

اسلاید 9: 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 accelerationit depends on the cavity shape, on the resonating mode and on the frequency

اسلاید 10: 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.

اسلاید 11: cavity parameters-2Quality factor ( Q dimention-less) is defined as the ratio between the stored energy and the power lost on the wall in one RF cycleQ is a function of the geometry and of the surface resistance of the material superconducting : Q= 1010 normal conducting : Q=104example at 700MHz

اسلاید 12: cavity parameters-3filling 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 filledvelocity at which the energy propagates through the cavitymeasure of how fast the stored energy is dissipated on the wall

اسلاید 13: cavity parameters-4transit 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 asThe energy gain of a particle entering the cavity on axis at phase φ is

اسلاید 14: modes in a resonant cavityTM vs TE modestypes of structuresfrom a cavity to an accelerator

اسلاید 15: wave equationMaxwell 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 :

اسلاید 16: TE or TM modesTE (=transverse electric) : the electric field is perpendicular to the direction of propagation. in a cylindrical cavityTM (=transverse magnetic) : the magnetic field is perpendicular to the direction of propagationn : azimuthal, m : radial l longitudinal component n : azimuthal, m : radial l longitudinal component

اسلاید 17: 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 fixed by boundaryconditions

اسلاید 18: wave equationconsider 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

اسلاید 19: phase velocity /group velocitymoving with the wave one can put (t - kz z) = 0the electromagnetic energy propagates with the a smaller velocity, the group velocity, given by : velocity of the wave phenomenon > c to satisfy boundary condition

اسلاید 20: wave equation

اسلاید 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.

اسلاید 22: اجزاء شتابگرخطی

اسلاید 23: کاربردهای شتابگر خطی

اسلاید 24: پیش شتابگر در شتابگرهای بزرگ

اسلاید 25: شتابگرهای درمانی پزشکی

اسلاید 26: رادیوگرافی صنعتی

اسلاید 27: اجزاء شتابگر خطی

اسلاید 28: ساختار شتابگر خطی

اسلاید 29: شتابگر خطی ایرانانرژی الکترون 9-12 MeV توان RF : 2MW پالسیعرض پالس : 3.5 msec. تکرار پالس ها : 100Hzفرکانس RF : حدود 3000MHzشدت جریان: 4mAساختار کاواک : disk loaded cavityنوع شتابگر : TW

اسلاید 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)

اسلاید 31: شتابگر خطی ایرانتعداد سلولهای Buncher : (15)21تعداد سلولهای شتابدهنده :(48) 36

اسلاید 32:

اسلاید 33: 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

اسلاید 34: تفنگ الکترونی انرژی الکترونهای خروجی: 45kVشدت جریان : 5mA نوع گسیل الکترونها : گسیل ترمویونی

اسلاید 35: تفنگ الکترونی

اسلاید 36: ادامه تفنگ الکترونی 1 تمیز کاری اجزاء محفظه خلاءکا تد گرم و شبکه مجزا و مقابل آن36

اسلاید 37: نمای کلی تفنگ الکترونی

اسلاید 38: نمای تفنگ الکترونی

اسلاید 39: جعبه حاوی ترانس های ایزوله

اسلاید 40: منبع تغذيه ولتا‍ژ بالا 45kVنمای روبرو از منبع تغذیهنمای روبرو از منبع تغذیه

اسلاید 41: تست تفنگ الكتروني

اسلاید 42: منبع تغذیه فرکانس بالاتولید RF با فرکانس قابل تنظیم در محدوده: 2900-3100 MHzتقویت امواج تا توان 2kW تقویت امواج تا توان 2MW برای تزریق درشتابگر خطی

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

اسلاید 44: تقویت امواج تا توان 2kW

اسلاید 45:

اسلاید 46: تقويت كننده اصلي (2MW)

اسلاید 47: کاواک شتابگر: طراحی

اسلاید 48: میدان الکتریکی در محور کاواک

اسلاید 49: کاواک شتابگر

اسلاید 50: تلاش برای ساخت کاواک

اسلاید 51:

اسلاید 52:

اسلاید 53: کاواک هاآماده سازی قطعات برای انجام آزمایشتصویری از کیفیت صافی سطح صفحات مسی53

اسلاید 54: آزمايش كاواك ها

اسلاید 55: نمودار تغيير ضريب كيفيت كاواك بر حسب فشار

اسلاید 56: اندازه گيري فركانس بر حسب دما و ضريب كيفيت كاواك ها(Q=8000)

اسلاید 57: نحوه ساخت كاواك

اسلاید 58: طراحی خوشه ساز

اسلاید 59: پایان