معرفی طرحطراحی و ساخت شتابگر خطی الکترون

صفحه 1:
معرفی طرح طراحی و ساخت شتابگر خطی الکترون 

صفحه 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 بع )و يل لهك ور اوح جح 9 ۱ سد 

صفحه 3:
SE eee ee 1 ۲ - 9۰| ‏مرك پچ‎ vat 2 > ax dt 

صفحه 4:
چهار نوع ذرات الکترون (پوزیترون) پروتون و یونهای سبک يون های سنگین میون ها و ذرات ناپایدار 

صفحه 5:
نواع شتابگرهای خطی ده رس 

صفحه 6:
شتابگر خطی رادیوفر کانس ۰ شتاب با میدان الکترومغناطیسی متغیر در زمان» محدودیت شتاب با میدان الکتریکی ثابت را از بين مى بريد. ۰ نخستین آزمایش توسط ۷۷06۲06 در سال 490 ۰ اولین شتابگر خطی توسط 51010 و ۱۵۷۷۲۵۱6 در سال 490 در آزمایشگاه برکلی ساخته شد. 

صفحه 7:
اصول کار شتابگر خطی الکترومغناطیسی ‎٠ RF power supply‏ منبع ‎alg‏ امواج رادیوفرکانس ‎ ‏۰ کاواک که در آن امواج الکترومغناطیس منتشر می ‎as Wave guide ‏شوند.‎ ‎iPower coupler ‏ات ‎Cavity ‏۰ باریکه ذرات بادار که از کاواک عبور می کند. ‎ ‎ 

صفحه 8:
طراحی شتابگر خطی ‎٠‏ 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. ‎ ‎ 

صفحه 9:
62۷1۲ 0۵۲۵۱6۵۲۵۲5-0 * average electric field (E, 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. 15 =— [E(x=0, y=0,2d. £ ee 7 <0, 22 * physically it gives a measure how much field is available for acceleration ٠ it depends on the cavity shape, on the resonating mode and on the frequency 

صفحه 10:
cavity parameters-1 Shunt impedance ( Z measured in/m) is defined as the ratio of the average electric field squared (EO ) to the power per unit length dissipated on the wall surface. BL ‏وق‎ aL P ap 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. 27 

صفحه 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 _2a-f = Qis a function of the geometry and of the surface resistance of the material superconducting :Q= 10° i + Q=104 Ber eee ee ae) : Q=10 70000۳2 

صفحه 12:
cavity parameters-3 * filling time ( t measured in sec) has different definition on the case of traveling or standing wave. + TW : the time needed for the electromagnetic energy ‘oF fill the cavity of length L 8 وب -+ ٠ SW: the time it takes for the field to decrease by 1/6 ‏رد‎ cavity has been filled نامیس ‎os‏ ‏جا ‏4 

صفحه 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 رز بیط 2 رز ملظ * The energy gain of a particle entering the cavity on axis at pha: ۳ 

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

صفحه 15:
wave equation * Maxwell equation for E and B field: Oa ae lid: ‎Ss a‏ - ج + بج + ج- ‎we WY ۵2 CO‏ ‎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.‏ ‎Ina bounded medium (cavity) the solution of the equation must‏ + ‎satisfy the boundary conditions :‏ ‎E=0 ‎ ‎E, =0 B, =0 ‎ ‎ 

صفحه 16:
TE or TM modes * TE (=transverse electric) : the electric field is perpendicular to the direction of propagation. in a cylindrical cavity TE ۰ TM (=transverse magnetic) : field is perpendicular to the direction of propagation sn: azimuthal m: radial | longitudinal component sn: azimuthal / m: radial f mi | longitudinal ‘component 

صفحه 17:
wave equation in cylindrical cos ites the solution for a TM wave can be expreasedals)) 6" ) The function 6(6) is a trigonometric function with m azimuthal perieds) the function R(r), is given with the Bessel ‏رم‎ of ,At the boundary ۲ ‏لا دم‎ of radius a), the condition for TM waves is Ez = 0, jm (Krr) = 0 , and the first solution (lowest frequency) is for the. 'M 01 wave, with Kra = 2.405 or Kr= dispersion relation(iriks, iven, wave type and mode, the frequency of ces é 0 ‘advance per unit length 

صفحه 18:
wave equation * consider one component of the wave equation and express the solution as a product of functions like (travelling wave case) o مس فا ییوت - ظ 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. 5 7 disc loaded cavity. The obstacles delimit cells, and each cell is a resonator, coupled to its neighbours through the central aperture iris ۸ 

صفحه 19:
phase velocity /group velocity E, =ARNO(9)e ‏هه‎ moving with the wave one can put (ot - kz z) = 2_¢ Vv, locity of th ° 2 ‏اح دح‎ velocity of the wave t k 3 phenomenon > c to satisfy boundary condition the electromagnetic energy propagates with the a smaller velocity, the group velocity, i given by vy 9 dk 

صفحه 20:
wave equation 

صفحه 21:
cavity modes + + 0-mode Zero-degree phase shift from cell to cell, so fields adjacent cells are in phase. Best example is DTL. + 1-mode 180-degree phase shift from cell to cell, so fields in adjacent cells are out of phase. Best example is multicel superconducting cavities. + + 1/2 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 n/2structure mode. This is the preferred mode for very long multicell cavities, because of very good field stability. 

صفحه 22:


صفحه 23:
کاربردهای شتابگر خطی 

صفحه 24:


صفحه 25:


صفحه 26:
رادیو گرافی صنعتی 

صفحه 27:
ا شاك حك 1 8۳| 4 

صفحه 28:


صفحه 29:
شتابگر خطی ایران ۰ انرژی الکترون 9-4 ۱۷6۷ wil ۳ : 20۷۷۷ ‏توان‎ ۰ 100۲2 : ‏تکرار پلس ها‎ .566 ٩.6 : ‏عرض پالس‎ ٠ 300001۳/2 ‏فرکانس ۴ : حدود‎ ٠ ۰ شدت جریان: 470۸ ۰ ساختار کاواک : 6۵۷16۷ ۱۵۵060 ‎disk‏ ۰ نوع شتابگر : ۲۷۷ 

صفحه 30:
Rev. Gri. Iewinn. BB, IOF (OSS); ‏همم 20) :۰106099/0 10و‎ knPord Vid Brera Liwar Cbriva Brvelercior (Dok TM) @. Chodorow, &. Lb. Gieatoa, 0. O. Wereen, R.b. GH, ®. @. Oral, ood 0. ۰ ۰ ‏نواد سد‎ ۵. 40۰ ‏ججمصتصصحادنا مجصدديلا/‎ of Physics, GtoaPord Oaiversiy, GtoroPord, OdPorca (Revewed © Devewber (OS#) L BASIC DESIGN FEATURES A. Introduction ‘HIS paper describes the design, construction, and early tests of the high-energy linear electron accelerator which has been constructed at Stanford University.! 

صفحه 31:
۳ af, wth tales be. se Beam pipe ‏سيف‎ ‎Foasiny magrass تعداد سلولهای 15(21) : ‎Buncher‏ ‏تعداد سلولهای شتابدهنده :(69) ۰ 66 

صفحه 32:
Linear Accelerator Project Technical Design 24 Meeting of Irantan Linac Project, IST, Isfahan 29" Februavy 2004 Seadat Varnaseri Institute for Theoretical Physics & Mathematics (IPM) 2P4 Meeting, 259" Februery 2004, ISUT, [alm ‏سعدت ورناصري , يروزهش تلاهدة خليى‎ 

صفحه 33:


صفحه 34:
تفنگ الکترونی ‎٠‏ اترژی الکترونهای خروجی: 4510 ‎٠‏ شدت جریان : 5۳0۸ ۰ نوع گسیل الکترونها : گسیل ترمویونی 

صفحه 35:
تفنگ الکترونی 

صفحه 36:
ادامه تفنگ الکترونی ۱ ‎dat eae ata‏ | ین ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ 

صفحه 37:


صفحه 38:


صفحه 39:
جعبه حاوی ترانس های ایزوله 

صفحه 40:
* نمای روبرو از منبع تغذیه * نمای رویرو از منبع تغذیه 

صفحه 41:


صفحه 42:
ديد عا بالا توليد 181 با فركانس قابل تنظيم در محدوده: ‎MHz 90000-400‏ تقویت تقویت امواج تا توان 216۷۷ تقويت امواج تا توان 201۷۷ برای تزریق درشتابگر خی 

صفحه 43:
تولید ۳۴ با فرکانس قابل تنظیم در محدوده: ‎MHz 3100-2900‏ 3 eS | Dual UA. | ‏لب‎ Coupler ae aaa | | 12 2 » zw bO) Div. + 5 Radial ‏هش‎ | | dual us. ‏اس]ءهزونیوی لم‎ ۳ aes A) mater ins ۱ ‏اه‎ ‏سم لب‎ [OO > ‏ود سل‎ isla: — HI 

صفحه 44:
تقویت امواج تا توان 21۷۷ Coupler Radial Combiner 4:1 HPA Unit Dual UA ‏لب‎ #2 Dual UA #3. Dual UA 24 Dual UA 85 Radial Divider 1:4 Dual ua |_| #1 RF Unit 35 I 

صفحه 45:


صفحه 46:
تقوبت کننده اصلي (2۱۷۱۷۷) 

صفحه 47:
کاواک شتابگر: طراحی ۱ ‏نومه‎ F = 3017.7941 Mis JGHz Pillboe Cavity different desters, 

صفحه 48:
میدان الکتریکی در محور کاواک و (ستلاه 

صفحه 49:


صفحه 50:
لاض براق ساحت كاوركة 

صفحه 51:


صفحه 52:
هه پاسخ کلواك شتابگر بر حسب فرکلنس. AO’ 8 8 ‘ateavity (db) 8 8 6 8 8 8 am cep aa Ge GHD oMD GED amo GED GED Gequeue (Oz) 

صفحه 53:
کاواک ها تصویری از کیفیت صافی سطح صفحات ‎we‏ آماده سازی قطعات برای انجام آزمایش 

صفحه 54:
1 زمايش كاواك ها 

صفحه 55:
نمودار تغییر ضریب کیفیت کاواك بر حسب فشار سس 10 0ةة"<ٍ 2 تت 21 “RODD + ODD + ۹0107 5 un 9110 110 010 01 60 

صفحه 56:
اندازه گيري فرکانس بر حسب دما و ضریب کیفیت کاواك ها(0-8000) 

صفحه 57:


صفحه 58:


صفحه 59:


معرفی طرح طراحی و ساخت شتابگر خطی الکترون 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) • پر-وتون 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 الکتر-ومغناطیسی متغیر -در -ز-مان ،محدودیت شتاب با میدان الکتریکی ثابت را از -بین می بر-د. • نخستین آزمایش توسط Wideroeدر -سال 1928 • اولین شتابگر خطی توسط Sloanو Lawrance در سال 1931در آز-مایشگاه بر-کلی ساخته شد. اصول کار شتابگر خطی الکترومغناطیسی ‏RF power supply ‏Wave guide ‏Power coupler • منبع تولید امواج رادیوفرکانس • کاواک که در آن امواج الکترومغناطیس منتشر می شوند. • باریکه ذرات بادار که از کاواک عبور می کند. ‏Cavity طراحی شتابگر خطی • طر-احی 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 بار-یکه 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  Ez (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 2Q tF   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)e i(t) • The energy gain of a particle entering the cavity on axis at phase φ is L • W qEz (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 TEnml ,n : azimuthal m : radial l longitudinal component • TM (=transverse magnetic) : the magnetic field is perpendicular to the direction of propagation TMnml ,n : azimuthal m : radial l longitudinal component wave equation • in cylindrical coordinates the solution for a TM wave can be expressed  ej  t kzz E  AR ras z • The function () is a trigonometric function with m azimuthal periods the function R(r), is given with the Bessel function of first of order m and argument sqrt (2 /c2 1 d 2kind, d 2 R 1 dR 2 m2  2 2  2 -k2z2)r:  m  0    k  R 0  R r  AJ m  kz r  AJ m Kr r z 2 2 2 2  2  d r dr  c dr r     • • c  ,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 2 dispersion relation links, for a given wave type and mode, the 2 phase 2 advance per unit length frequency of oscillation  to the k r z 2 fixed by boundary conditions  K  k c 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 kz z z   vph 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 kz z moving with the wave one can put (t - kz z) = 0 z  velocity of the wave  vph t kz phenomenon > c to satisfy boundary condition the electromagnetic energy propagates with the a smaller velocity, the group velocity, : given by d vg  dkz 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 MeV 12-9 توان RF : 2MWپالسی عرض پالس .sec 3.5 :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 Buncher : (15)21 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 RF-Cavity Construction Techniques Copper disks and cylinders and the brazing washers used in the .fabrication of SLAC accelerator sections 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 • انرژ-ی 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 تغذيه 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: ‏MHz 3100-2900 • تقویت امواج تا توان 2kW • تقویت امواج تا توان 2MWبرای تز-ریق در-شتابگر خطی تولید RFبا فرکانس قابل تنظیم در محدوده: ‏MHz 3100-2900 تقویت امواج تا توان 2kW تقويت كننده اصلي ()2MW کاواک شتابگر :طراحی میدان الکتریکی در محور کاواک E(Z/Zmax) fo r 3Mo d es 2.50E+06 2.00E+06 E(Z) V/m 1.50E+06 Ez(V/m ) 0d e g re e Ez(V/m ) 90d e g re e Ez(V/m ) 180d e g re e 1.00E+06 5.00E+05 0.00E+00 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Z/Zma x 0.6 0.7 0.8 0.9 1 کاواک شتابگر تالش برای ساخت کاواک -س-ن-ركا-ب ف-ر حس-ر ب-گ-ب-ا-ت-اك ش-و- كا-خ-س-ا-پ 5 0 -5 In t en si t y(d b ) -10 -15 Se ri e s 1 -20 -25 -30 -35 -40 -45 2900 2920 2940 2960 2980 3000 3020 Freq u en ce (MHz) 3040 3060 3080 3100 کاواک ها تصویری از کیفیت صافی سطح صفحات مسی آماده سازی قطعات برای انجام آزمایش 53 آزمايش كاواك ها نمودار تغيير ضريب كيفيت كاواك بر حسب فشار 200 150 100 )Pressu re(Bar 50 0 ‏QF 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 اندازه گيري فركانس بر حسب دما و ضريب كيفيت كاواك ها()Q=8000 نح3وه ساخت كاواك طراحی خوشه ساز پایان