23.04.2013 1 Linearbeschleuniger Linearbeschleuniger - Linac-AG
Werbung
23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Vorlesung Linearbeschleuniger Linearbeschleuniger Vorlesung Do, 9.30 Uhr 02.201 Übungen Do, 8.30 Prof. Dr. Holger Podlech, IAP Dr. Lars Groening, GSI Prof. Dr. H. Podlech 1 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger • Einführung Linearbeschleuniger • Grundlagen Hochfrequenz+Relativistik • Ionenquellen • Radiofrequenz‐Quadrupole (RFQ) • Driftröhrenstrukturen (NL+SL) • Strahldynamik • Anwendungen Prof. Dr. H. Podlech 2 1 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger Linear Accelerators Æ Linacs Linearbeschleuniger IIm engeren Sinne gehören elektrostatische Beschleuniger Si hö l kt t ti h B hl i nicht zu den Linearbeschleunigern Linearbeschleuniger sind Beschleuniger, die auf elektromagnetischen Wechselfeldern basieren Æ Hochfrequenzbeschleuniger Prof. Dr. H. Podlech 3 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger Anwendungen • Kern‐ und Teilchenphysik • Injektoren für Synchrotrons Linearbeschleuniger • Isotopenproduktion • Tumortherapie • Neutronenquellen • Transmutation • Sterilisation • Materialprüfung und –Bearbeitung • Synchrotronstrahlung, FEL Prof. Dr. H. Podlech 4 2 23.04.2013 Linearbeschleuniger Institut für Angewandte Physik LINAC AG Prof. Dr. H. Podlech 5 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Statische Beschleuniger Linearbeschleuniger Cockcroft‐Walton Generator: Umax ≈ 1 MV Prof. Dr. H. Podlech 6 3 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Statische Beschleuniger Linearbeschleuniger Van‐de‐Graaff Generator: Umax ≈ 30 MV Yale University, 25 MV Tandem Prof. Dr. H. Podlech 7 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Historische Entwicklung 1924: Gustav Ising schlägt ein Konzept zur Beschleunigung mittels zeitabhängiger Felder vor Linearbeschleuniger 1928 Rolf Wideröe realisiert auf Basis Ising‘s 1928: Rolf Wideröe realisiert auf Basis Ising‘s Idee den Idee den ersten HF‐Linearbeschleuniger (RWTH Aachen) Beschleunigung von K‐Ionen mit 2 Spalten und 50 kV 1 MHz Oszillator R. Wideröe ≈ Prof. Dr. H. Podlech 8 4 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger Wideröe-Beschleuniger Prof. Dr. H. Podlech 9 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Wideröe-Beschleuniger Damit die Teilchen synchron mit der Hochfrequenz beschleunigt werden, muss die Flugzeit zwischen zwei Spalten genau eine Hochfrequenzperiode lang sein. Linearbeschleuniger Für die entsprechende Länge Li gilt dann: Wideröe‘sche Bedingung Prof. Dr. H. Podlech 10 5 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Wideröe-Beschleuniger Linearbeschleuniger Die Teilchen werden in den Spalten mit einer effektiven Spannung Ueff beschleunigt Prof. Dr. H. Podlech 11 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger Wideröe-Beschleuniger Prof. Dr. H. Podlech 12 6 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Alvarez-Beschleuniger Durch die Entwicklung des RADARs während des 2. Weltkrieges wurde die Entwicklung von HF‐Quellen hoher Frequenz gefördert Linearbeschleuniger Dadurch D d h wurde d di die R li i Realisierung von effizienten ffi i t Beschleunigerstrukturen möglich: Alvarez DTL (Drift Tube Linac) Beim Alvarez sind alle Driftröhren insgesamt ungeladen ‐ L1=β1λ + ‐ L2=β2λ Prof. Dr. H. Podlech + L3=β3λ ‐ + L4=β4λ L5=β5λ 13 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Alvarez-Beschleuniger Linearbeschleuniger Alvarez DTL ist ein Zylinderresonator, der in der Grundmode (TM010=E010) betrieben wird. Die Driftröhren dienen als „Spannungsteiler“ und zur Abschirmung der abbremsenden Felder Prof. Dr. H. Podlech 14 7 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Alvarez-Beschleuniger Linearbeschleuniger 1947: Erster Alvarez DTL in Berkeley für Protonen Prof. Dr. H. Podlech 15 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Alvarez-Beschleuniger Linearbeschleuniger 108 MHz Alvarez GSI Darmstadt Prof. Dr. H. Podlech 16 8 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Beschleunigung in HF-Feldern Linearbeschleuniger Würden die Teilchen in jeder Spaltmitte das maximale Feld spüren, hätten Sie eine Phase von 0 Grad bezogen auf die Hochfrequenz Prof. Dr. H. Podlech 17 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Beschleunigung in HF-Feldern Würden die Teilchen in jeder Spaltmitte das maximale Feld spüren, hätten Sie eine Phase von 0 Grad bezogen auf die Hochfrequenz später ät Linearbeschleuniger f üh früher Prof. Dr. H. Podlech 18 9 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Phasenfokussierung Linearbeschleuniger Ein Teilchenpaket (Bunch) besteht aus Teilchen, die einen gewisses Volumen im Phasenraum besetzen. Das heißt, sie besitzen verschiedene Energien und Phasen bezüglich eines Referenzteilchens des so genannten Synchronteilchens. Referenzteilchens, Synchronteilchens Würde das Paket bei 0 Grad beschleunigt werden, würde es auseinander gezogen werden. Würde das Paket bei positiver Phase beschleunigt werden, würden später ankommende Teilchen weniger stark beschleunigt als früher ankommende Æ longitudinal instabil Insbesondere soll die Phasenbreite des Bunches nicht zu groß werden, um den nicht linearen Bereich der Hochfrequenz zu vermeiden Prof. Dr. H. Podlech 19 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Beschleunigung in HF-Feldern früher später Linearbeschleuniger instabil Prof. Dr. H. Podlech 20 10 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Phasenfokussierung Um eine longitudinale Stabilität zu erreichen, wird der Bunch bei einer negativen Phase (typischerweise -30 grad) beschleunigt. Linearbeschleuniger Dadurch werden zu frühe Teilchen weniger stark beschleunigt und zu späte entsprechend stärker beschleunigt. Die Teilchen bewegen sich in Richtung des so genannten Soll- oder Synchronteilchens mit seiner Sollphase ϕs. Tatsächlich führen die Teilchen Schwingungen um das Sollteilchen im longitudinalen g Phasenraum durch. Prof. Dr. H. Podlech 21 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Phasenfokussierung später Linearbeschleuniger früher Prof. Dr. H. Podlech 22 11 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Phasenfokussierung Im Ladungsfreien Raum (ρ=0) gibt es kein elektrisches Potentialminimum in allen drei Richtungen Linearbeschleuniger Æ Laplace-Gleichung Prof. Dr. H. Podlech 23 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Phasenfokussierung Linearbeschleuniger Wird der Strahl longitudinal fokussiert, gilt: Der Strahl wird in mindestens einer transversalen Ebene defokussiert Prof. Dr. H. Podlech 24 12 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Phasenfokussierung Anschauliche Erklärung der Hochfrequenzdefokussierung Linearbeschleuniger Innerhalb eines Spaltes besitzen die elektrischen Feldlinien eine charakteristische Form. Die Felder wirken in der ersten Hälfte fokussierend und in der zweiten Hälfte defokussierend. defokussierend Negative Phase bedeutet, dass der Bunch „zu früh“ in den Spalt eintritt. Wenn der Bunch in der Spaltmitte ankommt, hat sich das Feld noch nicht vollständig aufgebaut. Im zweiten Teil des Spaltes sind dann die Felder stärker und entsprechend wird der Bunch insgesamt defokussiert. Spalt Driftrohr Driftrohr Prof. Dr. H. Podlech 25 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Transversale Fokussierung Aufgrund der Hochfrequenz-Defokussierung sowie wegen Raumladungseffekten und der natürlichen Divergenz muss der Strahl transversal fokussiert werden. Linearbeschleuniger Æ Quadrupolfelder Q d lf ld (elektrisch ( l kt i h oder d magnetisch) ti h) Kräfte auf positive Teilchen mit Bewegungsrichtung in die Ebene Prof. Dr. H. Podlech 26 13 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Transversale Fokussierung Linearbeschleuniger Die Kraft ist auf der Strahlachse null und steigt linear mit dem Abstand. Der Quadrupol wirkt in einer Ebene fokussierend und in der anderen defokussierend. Prof. Dr. H. Podlech 27 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Transversale Fokussierung Linearbeschleuniger Durch die Platzierung zweier gegeneinander gepolten Quadrupolen erreicht man eine gesamtfokussierende Wirkung in beiden Ebenen. Prof. Dr. H. Podlech 28 14 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Strahleigenschaften Ein Teilchenstrahl ist ein Teilchenensemble, das ein bestimmten Volumen im Phasenraum besetzt. Jedem Teilchen können 6 Koordinaten zugewiesen werden: Linearbeschleuniger Lage zur Sollbahn in x Neigung zur Sollbahn in x Lage zur Sollbahn in y Neigung zur Sollbahn in y Energieabweichung zum Sollteilchen Phasenabweichung zum Sollteilchen Prof. Dr. H. Podlech 29 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Hill‘sche Differentialgleichung Linearbeschleuniger Es lässt sich eine Differentialgleichung 2. Ordnung ableiten, die die Bewegung geladener Teilchen unter dem Einfluss äußerer elektrischer und magnetischer Felder beschreibt Æ Hill‘sche DGL. y Orbit=Sollbahn z=Strahlrichtung R=Bahnradius x,y=transversale Richtung t l Ri ht z Prof. Dr. H. Podlech 30 15 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Bewegung von Ladungen im Magnetfeld Teilchenbahn Linearbeschleuniger x R z Prof. Dr. H. Podlech 31 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger Bewegung von Ladungen im Magnetfeld Transversale Auslenkung klein gegen Biegeradius: Æ Reihenentwicklung von By Prof. Dr. H. Podlech 32 16 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger Multipolkomponenten Prof. Dr. H. Podlech 33 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Hill‘sche Differentialgleichung Linearbeschleuniger Lineare, inhomogene DGL 2. Ordnung mit variablen Koeffizienten Prof. Dr. H. Podlech 34 17 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Hill‘sche Differentialgleichung Spezialfälle: 1/R=0, k=0 (Driftstrecke) Linearbeschleuniger x“(z)=0 Prof. Dr. H. Podlech 35 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Hill‘sche Differentialgleichung Linearbeschleuniger Spezialfälle: 1/R=0 (kein Dipol) Für k>0 (horizontal defokussierender Quadrupol) ergibt sich als Lösung: Prof. Dr. H. Podlech 36 18 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Hill‘sche Differentialgleichung Spezialfälle: 1/R=0 (kein Dipol) Linearbeschleuniger k<0 k=0 k>0 Prof. Dr. H. Podlech 37 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Hill‘sche Differentialgleichung Linearbeschleuniger Für den Quadrupol gilt in beiden Ebenen (x+y) Für alle M gilt Prof. Dr. H. Podlech 38 19 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG IH-Strukturen Effiziente HF‐Strukturen für Protonen und Ionen Linearbeschleuniger TE111‐Mode Prof. Dr. H. Podlech 39 Institut für Angewandte Physik LINAC AG IH-Strukturen Linearbeschleuniger Durch Einbringen einer geeigneten Resonanzstruktur entstehen longitudinale elektrische Felder zur Beschleunigung Prof. Dr. H. Podlech 40 20 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG IH-Strukturen 100 MHz IH für BNL, 13 MV Linearbeschleuniger 75 MHz IH für VECC 2 MV 75 MHz IH für VECC, 2 MV Prof. Dr. H. Podlech 41 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger IH-Strukturen Prof. Dr. H. Podlech 42 21 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG CH-Strukturen Linearbeschleuniger Effiziente HF‐Strukturen für Protonen und Ionen. Höhere Frequenz als IH‐Strukturen durch TE211‐Mode Durch Einbringen einer geeigneten Resonanzstruktur entstehen longitudinale elektrische Felder zur Beschleunigung Prof. Dr. H. Podlech 43 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger CH-Strukturen Prof. Dr. H. Podlech 44 22 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger CH-Strukturen 325 MHz CH-Struktur für den neuen FAIR Protonenlinac (11 MV) Prof. Dr. H. Podlech 45 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger Supraleitende CH-Strukturen Prof. Dr. H. Podlech 46 23 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger Der Zoo Supraleitender Resonatoren Prof. Dr. H. Podlech 47 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Radiofrequenz-Quadrupole Erfunden 1969 durch Tepliakov und Kapchinskiy Linearbeschleuniger Durchbruch in der Beschleunigerphysik im Hinblick auf hohe mittlere Strahlströme für Protonen und Ionen Erster RFQ 1980 in Los Alamos realisiert 50% aller RFQ‘s weltweit aus Frankfurt (IAP) Problematik Strahlfokussierung bei kleinen Geschwindigkeiten Umwandlung von DC Strahl der Quelle zum gebunchten Strahl für DTL Prof. Dr. H. Podlech 48 24 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger Radiofrequenz-Quadrupole Prof. Dr. H. Podlech 49 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Radiofrequenz-Quadrupole Linearbeschleuniger Mechanische Modulation führt zu longitudinalen elektrischen Feldern zum Bunchen und Beschleunigen Prof. Dr. H. Podlech 50 25 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger 352 MHz 4-Vane RFQ Prof. Dr. H. Podlech 51 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger 36 MHz IH-RFQ GSI Prof. Dr. H. Podlech 52 26 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger 175 MHz cw 4-Rod RFQ Prof. Dr. H. Podlech 53 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger 200 MHz 4-Rod RFQ für Fermi-Lab Prof. Dr. H. Podlech 54 27 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger Elektronen Strukturen Supraleitende 1.3 GHz Elliptische Kavität Prof. Dr. H. Podlech 55 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) Prof. Dr. H. Podlech 56 28 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) Prof. Dr. H. Podlech 57 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) Prof. Dr. H. Podlech 58 29 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger Facility for Radioactive Ione Beams (FRIB) Prof. Dr. H. Podlech 59 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger LINAC-4 und SPL am CERN Prof. Dr. H. Podlech 60 30 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger LINAC-4 und SPL am CERN Prof. Dr. H. Podlech 61 Institut für Angewandte Physik LINAC AG LINAC-4 und SPL am CERN Linearbeschleuniger LINAC‐4 Tunnel CERN Prof. Dr. H. Podlech 62 31 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger Japan Proton Accelerator Research Center (J-PARC) Prof. Dr. H. Podlech 63 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Japan Proton Accelerator Research Center (J-PARC) Linearbeschleuniger 325 MHz DTL, 180 MeV Prof. Dr. H. Podlech 64 32 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger Japan Proton Accelerator Research Center (J-PARC) Klystron Galerie Prof. Dr. H. Podlech 65 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger Spallation Neutron Source (SNS) W=1 GeV P=1.4 MW (ave) Usc=900 MV Prof. Dr. H. Podlech 66 33 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger Spallation Neutron Source (SNS) Alvarez DTL der SNS Alvarez DTL der SNS 402.5 MHz 3‐87 MeV © ONL Prof. Dr. H. Podlech 67 Institut für Angewandte Physik LINAC AG MYRRHA Linearbeschleuniger Multi purpose hYbrid Research Reactor for High Tech Applications Prof. Dr. H. Podlech 68 34 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger MYRRHA Prof. Dr. H. Podlech 69 Institut für Angewandte Physik LINAC AG MYRRHA - Injektor Linearbeschleuniger ECR R RFQ LEBT 3.5 MeV 1.5 MeV 0.03 MeV B D C1 C2 C3 C4 3.5 MeV B 17 MeV SC1 SC2 SC4 SC3 SC5 SC6 Halo Monitor Collimator Beam profile monitor Steerer Phase probe/Beam pos. monitor Current transformer Faraday cup Prof. Dr. H. Podlech D 70 35 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger MYRRHA Prof. Dr. H. Podlech 71 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger Frankfurter Neutronenquelle FRANZ Prof. Dr. H. Podlech 72 36 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG XFEL – Europäischer Röntgenlaser Linearbeschleuniger 17.5 GeV 1.3 GHz Supraleitender Elektronenlinac Prof. Dr. H. Podlech 73 Institut für Angewandte Physik LINAC AG Linearbeschleuniger XFEL-Tunnel Prof. Dr. H. Podlech 74 37 23.04.2013 Institut für Angewandte Physik LINAC AG International Linear Collider (ILC) Linearbeschleuniger 500 GeV e+e‐‐Collider Prof. Dr. H. Podlech 75 Institut für Angewandte Physik LINAC AG International Linear Collider (ILC) Linearbeschleuniger TESLA Æ ILC L=31 km N=16000 Resonatoren Preis = 10 Mrd € Prof. Dr. H. Podlech 76 38
