‫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)ei (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  ARr  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 
Rr   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