Hızlandırıcı Tipleri

Hızlandırıcı Tipleri
•Elektrostatik Hızlandırıcılar: Her parçacık oluşturulan bir potansiyel farkını bir kez
geçerek kinetik enerji kazanır.kazanılan kinetik enerji uygulanan potansiyel ile
sınırlıdır. İki nokta arası uygulanabilen potansiyel farkı kıvılcım boşalmasından dolayı
sınırlı olduğundan (max Daresbury’de 20 MV.) hızlandırma sınırlıdır. Avantajı sürekli
demetler hızlandırılabilmesidir. Bugün hala birçok nükleer deneyler elektrostatik
hızlandırıcı ile yapılmaktadır.
Hızlandırıcı Tipleri
Zamanla değişen alan hızlandırıcılar: Bu tip hızlandırıcılar parçacık zamanla
değişen EM alnı içine atılır ve Elektrik alanın pozitif yanına maruz bırakılarak
hızlandırma sağlanır. EM alanının hızlandırma yönünde elektrik alanının olması ve
mümkünse parçacığın kazandığı doğrusal hızı azaltmayacak bir manyetik alan
olmaması istenir. Elektromanyetik alanın gücünden faydalanarak çok yüksek
hızlandırma voltajı elde edilebilir. Dezavantajı paketçik yapıda ve enerji yayılımı olan
paracıklar hızlandırılır.
Tipleri: Time Varying Fields linear accelerators
Ising (1924) and Wideroe (1928)
Cyclotron
Lawrence (1930)
Synchrotron
Oliphant (1943)
Synchrocyclotron and Betatron
McMillan and Veksler (1944)
Alvarez Linac
McMillan (1946)…………
Hızlandırıcı Tipleri
Wideroe Linac: Rezonans RF oyuklarının ilk uygulamasıdır. RF alanları oyuğun
duvarlarına aktarılarak açıklıklarda salınan bir elektrik alan üretilir.
Cyclotron: RF alanı bu kez Dee olarak adlandırılan manyetik kutupların arasına
uygulanır. Parçacık her dönüşünde alan da yön değiştirerek parçacık pozitif alana
maruz kalır. RF frekansı ve manyetik alan sabittir. Synchrocyclotron da ise RF
frekansı değiştirilen tip cyclatrondur.
Hızlandırıcı Tipleri
Synchrotron: parçacık sabit bir dairesel yörüngede tutulur. Yörünge üzerine konulan
RF oyukları ile hızlandırma sağlanır. Parçacık bu yörüngeyi defalarca dolanarak RF
alanına maruz kalır ve çok yüksek enerjilere çıkılabilir. Hızlandırma limiti
parçacıkların dairesel yaptığı ışınım ile sınırlıdır. Belirli bir enerjiden sonra parçacıklar
bir turda kazandıkları enerjiyi ışınım yolu ile kaybeder. Parçacıklar sycnhrotrona başka
bir ön hızlandırıcıdan enjekte edilir. Halka
içerisinde hızı ışık hızı olduğundan RF
frekansı ve manyetik alan şiddetleri sabittir.
Tur başına enerji kaybı
Hızlandırıcı Tipleri
Betatron :Parçacıklar değişken manyetik alan içerisinde hızlandırılır. Zamanla
değişen manyetik alanın zamanla değişen elektrik alan oluşturması prensibine dayanır.
Hızlandırıcı fiziğinde betatronun önemi büyüktür. Parçacıkların yörüngede dolanı
esnasında ideal yörüngeden saparak yapmış olduğu salınımlar betatron salınımı olarak
adlandırılır. Günümüzün hızlandırıcılarında da enine salınımlar aynı teoik prensibe
dayalı olarak incelenir.
Hızlandırıcı Tipleri
Alvarez Linac : Günümüzün doğrusal hızlandırıcılarının temelini oluşturmuştur.
Wideroe linac yapısına benzerdir. RF alanı oyuğun duvarlarına aktarılır oyuk içersinde
salınımı sağlanır.
Başlangıçta yüksek frekans ile salınan RF dalgaları olmadığı için parçacıkların
enerjileri düşük ve gittikçe artar durumdadır. Driflterin uzunluğu bundan dolayı
giderek artar yapıdadır.
Günümüzdeki klaystron teknolojisinin gelişmesi ile birlikte yüksek frekansta RF alanı
üretilebilmekte ve yüksek gradyenlere ulaşılabilmektedir. Özellikle elektronlar için
Drift lerin uzunluğu sabit ve kısa yapıdadır.
Demetin Yönlendirilmesi ve Odaklanması
Özellikle dairesel hızlandırıcılarda demetin dairesel tolda
hareketi yörünge üzerine konulan eğici iki kutup manyetler ile
sağlanır.
ur
ur r ur
F = q( E + v × B)
Paketçik halindeki demetler hareketi boyunca odaklanma ihtiyacı duyar. Odaklama
gene eğici manyetler de olduğu gibi dört kutup yada altı kutup mıknatıslar ile sağlanır.
Demetin Taşınımı
Demet hızlandırıcı oyuklardan çıktıktan sonra gerek deneylerin yapılacağı bölgeye
gerekse tekrar hızlandırıcı oyuğa enjekte edilmesi için taşınma sistemleri yularda
bahsettiğim elemanlar ile yapılır.
Dört kutupların yapısı gereği bir dört kutup bir düzlemde odaklama yaparken ona dik
olan diğer düzlemde dağıtma yapmaktadır. Bundan dolayı dört kutuplar 90 derecelik
dönme ile ard arda konumlandırılır. Bu en basit örgüye FODO denir.
RF Rezonans Oyukları
Radyo frekans mertebesinde frekansa sahip yüksek güçte elektro manyetik alan
doğrusal elektrik alan ve azimtuthal manyetik alan olarak salınması için rezonans
oyukları kullanılır. Bunlardan en basiti dalga silindirik dalga kılavuzudur.
Etkin bir hızlandırma için elektrik dalgasının
grup hızı parçacığın hızına eşit olmalıdır.
Kavuzlar içersinde salınan alanın grup hızı ışık
hızından fazla olacağı için dalga kılavuzu diskler
ile sınırlandırılır.
RF oyukları
Parçacıkların Enine Hareketi
Betatronda bahsedildiği gibi ideal yörüngeden sapan parçacıkların hareketi
u ''+ K ( s )u = 0
u → x veya y
u ( s ) = ε β ( s ) sin(φ ( s ) + φo )
Parçacıkların Boyuna hareketi
βcknηc dV
Ω2
2
sin(ψs +ϕ) −sinψs ) = 0 Ω =
ϕ+
e
(
cosψs
cp0T0 dψ ψs
••
Neden Yüksek Enerji
Figure : Bar charts of the numbers of different sparticle species observable in a number
of benchmark supersymmetric scenarios at different colliders, including the LHC and
linear e+e- colliders with various centre-of-mass energies.
Compact Linear Collider (CLIC)
326 klystrons
33 MW, 139
ms drive beam accelerator
2.37 GeV, 1.0 GHz
1
km
combiner rings
Circumferences
delay loop 80.3 m CR1
160.6 m CR2 481.8 m
delay
loop
CR
BC2
245m
TA
R=120
m
326 klystrons
33 MW, 139
e- main linac , 12 GHz, 100 MV/m, 21 km
BDS
2.75
km
dela
y
CR
2
CR
2
drive beam accelerator
2.37 GeV, 1.0 GHz
CR
1
Drive Beam
Generation Complex
decelerator, 24 sectors of 868
m
BDS
2.75 km
BC2
IP1
e+ main linac
245m
TA
R=120
m
48 km
CLIC overall
layout
3 TeV
injector
2.4 GeV
booster linac,
9 GeV, 2
GHz
BC1
e-
e- DR
365m
e+
DR
365m
e+
injector,
2.4 GeV
Main Beam
Generation Complex
CLIC Teknolojisi
• CLIC bu güne kadar ulaşılamamış gradyene ulaşmayı amaçlamaktadır. (100
MeV/m)
ƒ Gradyen RF frekansı ile ilişkilidir.
ƒ RF frekansı RF oyuklarının boyutlarını belirler
• Bunun için yüksek güçte ve fekansta RF kaynağına ihtiyaç duyulmaktadır.
• Inductive Output Tubes (IOTs)
ya da Klaystron sistemleri ile
erişilebilen güç ve frekans
~160MW@3GHz olduğu için
ikincil demet hızlandırıcısına
ihtiyaç duyulmuştur. (~460
MW/m).
• İkincil demet hızlandırıcılı
sistemlere çok yüksek akıma
ihtiyaç duyulmaktadır.
CLIC Güç Kaynağı
CLIC te en önde gelen işlemlerden birisi
akım arttırma işlemidir.
Sürücü Demet Linac
damping
slot
SiC
Süper iletken yapıya benzer olarak CLIC test
laboratuarında tam yüklemeli RF sistemi
gerçekleştirilebilmiştir. RF gücü %95 oranında
demete aktarılabilir.(176 tane hızlandırma yapısı )
Power Extraction and Transfer Structure (PETS)
Yüksek frekansta RF dalgaları
sürücü demette hızlandırılıp delay
loop ve combiner ring de akımı
arttırılan demet yavaşlatıcı yapı
içersine sokulur.
Yüksek enerjili yüklü parçacıklar
kendilerine etki yapıldığında
enerjilerini EM radyasyon olarak
bırakır
Yavaşlatıcının geometrik yapısı 30
GHz de RF dalgaları elde etmek
için tasarlanmıştır.
CLIC Ana Linac
Neden yüksek freakans?
Oyuk ebatları : V ~ f
3
Yüksek frekanstan dolayı oyukların ebatı çok
küçük.
Hücre uzunluğu
1,66 mm
İris çapı
2.06 mm
Slac 12 GHz yapısı
CLIC Ana Parametreleri
Parameter
Symbol
Center of mass energy
Main Linac RF Frequency
Luminosity
Luminosity (in 1% of energy)
Linac repetition rate
No. of particles / bunch
No. of bunches / pulse
Ecm
fRF
L
L99%
frep
Nb
kb
No. of drive beam sectors / linac
Overall two linac length
Proposed site length
DB Pulse length (total train)
Nunit
llinac
ltot
Beam power / beam
Wall-plug power to beam efficiency
Total site AC power
τt
Pb
ηwp-rf
Ptot
CLIC CLIC CLIC
1 TeV 3 TeV 0.5 TeV
1000 3000
500
12
12
12
2.25
5.9
2.24
1.08
2
1.36
50
50
100
3.72
3.72
3.72
312
312
312
Unit
GeV
GHz
1034 cm-2 s-1
1034 cm-2 s-1
Hz
109
8
13.9
20.1
46
24
41.7
47.9
139
4
6.9
13.2
23
km
km
μs
4.6
6.1
~150
14
8.7
322
4.6
6.1
~150
MW
%
MW
CLIC Ana Parametreleri
Parameter
Transverse horizontal emittance
Transverse vertical emittance
Nominal horizontal IP beta function
Nominal vertical IP beta function
Horizontal IP beam size before pinch
Vertical IP beam size before pinch
Beamstrahlung energy loss
No. of photons / electron
No. of pairs (pTmin=20MeV/c, θmin=0.2)
No. of coherent pairs
No. of incoherent pairs
Hadronic events / crossing
Symbol
γεx
γεy
β*x
β*y
σ *x
σ *y
δB
nγ
Npairs
Ncoh
Nincoh
Nhadron
CLIC CLIC
1 TeV 3 TeV
660
660
20
20
20
4
0.1
0.09
40
1
11
29
1.2
2.2
17.1
45
0.07
38
0.09
0.44
0.29
3.23
CLIC
0.5 TeV
660
20
15
0.1
142
2
7
1.1
11.5
0.0001
0.05
0.1
Unit
nm rad
nm rad
mm
mm
nm
nm
%
107
105
CTF2-CTF3
Amacı CLIC
teknolojisinin test
etmek