Moderne acceleratorers fysik og anvendelse Forelæsning 6 Longitudinal Dynamik & RF kaviteter

Relaterede dokumenter
Longitudinal dynamik: Indledning. Vi betragter her synkrotroner En synkrotron vil have en (el. flere) RF-kaviteter

Longitudinal dynamik: Indledning. Vi betragter her synkrotroner En synkrotron vil have en (el. flere) RF-kaviteter til acceleration

Bevægelse i (lineære) magnetfelter

Bevægelse i (lineære) magnetfelter

Forelæsning 7a. Ikke-linariteter Multipoler (specielt sekstupoler) Andenordens resonans Tredjeordens resonans Langsom ekstraktion

Moderne acceleratorers fysik og anvendelse Forelæsning 8a Linac s. Tak til Lars Præstegaard, som jeg har stjålet en del slides fra

Moderne acceleratorers fysik og anvendelse Forelæsning 2 Transverse motion, Lattices

Moderne acceleratorers fysik og anvendelse

Lineær beamoptik 1. Koordinatsystem

Forelæsning 11a: Resumé. Energi og impuls

Lineær beamoptik 1. Vi starter med en meget kort repetition fra sidste gang. Derefter: Wille kapitel 3.1 til og med 3.6 (undtagen 3.

Energi og impuls. v c. 1 g. Forelæsning 13a: Resumé. Hvilemasse: Einstein: E 0 =m 0 c 2 Total energi: E = E 0 +E k, hvor E k er kinetisk energi

Hvorfor bevæger lyset sig langsommere i fx glas og vand end i det tomme rum?

Theory Danish (Denmark) Ikke-lineær dynamik i elektriske kredsløb (10 point)

Elektromagnetisme 14 Side 1 af 10 Elektromagnetiske bølger. Bølgeligningen

Forelæsning 11a/b NH. Repetition af centrale begreber Mere WinAgile Acceleratorer udenfor sundhedsvæsenet

Elektromagnetisme 14 Side 1 af 9 Elektromagnetiske bølger. Bølgeligningen

Partikelacceleratorer: egenskaber og funktion

Manipulationer af banen

Theory Danish (Denmark)

6 Plasmadiagnostik 6.1 Tætheds- og temperaturmålinger ved Thomsonspredning

Vejledende opgaver i kernestofområdet i fysik-a Elektriske og magnetiske felter

KØBENHAVNS UNIVERSITET NATURVIDENSKABELIG BACHELORUDDANNELSE

Fysik 2 - Den Harmoniske Oscillator

Udledning af Keplers love

IMPEDANSBEGREBET - KONDENSATOREN. Faseforskydning mellem I og U Eksempel: R, X og Z I og U P, Q og S. Diagrammer

Antennens udstrålingsmodstand hvad er det for en størrelse?

Klassisk kaos. Kaotiske systemer. Visse regulariteter universalitet

Den harmoniske svingning

Statistisk mekanik 10 Side 1 af 7 Sortlegemestråling og paramagnetisme. Sortlegemestråling

Reaktionskinetik - 1 Baggrund. lineære og ikke-lineære differentialligninger. Køreplan

MODUL 1-2: ELEKTROMAGNETISK STRÅLING

Statistisk mekanik 10 Side 1 af 7 Sortlegemestråling og paramagnetisme. Sortlegemestråling

En sumformel eller to - om interferens

Velkommen til. EDR Frederikssund Afdelings Almen elektronik kursus. Joakim Soya OZ1DUG Formand. EDR Frederikssund afdeling Almen elektronik kursus

Synkrotron accelerator facilitet

Noter til elektromagnetisme

Partikelacceleratorer Eksperimentalfysikernes Ultimative Sandkasse

Rapport uge 48: Skråplan

Danmarks Tekniske Universitet

Lineære systemer med hukommelse.

Moderne acceleratorers fysik og anvendelse Forelæsning 7b Diagnostik

Mellem mennesker Ny Prisma Fysik og kemi 9 - kapitel 9 Skole: Navn: Klasse:

Fysik 2 - Oscillator. Amalie Christensen 7. januar 2009

Af: Valle Thorø Fil.: Oscilloscopet Side 1 af 10

Teori om lysberegning

Den Naturvidenskabelige Bacheloreksamen Københavns Universitet. Fysik september 2006

Heisenbergs Usikkerhedsrelationer Jacob Nielsen 1

Elektronikkens grundbegreber 1

U = φ. R = ρ l A. Figur 1 Sammenhængen mellem potential, φ og spændingsfald, U: U = φ = φ 1 φ 2.

DETTE OPGAVESÆT INDEHOLDER 5 OPGAVER MED IALT 11 SPØRGSMÅL. VED BEDØMMELSEN VÆGTES DE ENKELTE

Dæmpet harmonisk oscillator

Danmarks Tekniske Universitet

Moderne acceleratorers fysik og anvendelse Forelæsning 8b Diagnostik. Diagnostik er en accelerators øjne og ører

Fysik 2, Foreslåede løsninger til prøveeksamenssæt, januar 2007

Elektromagnetisme 7 Side 1 af 12 Elektrisk strøm. Elektrisk strøm

Moderne acceleratorers fysik og anvendelse 2015 Forelæsning 9b Diagnostik. Diagnostik er en accelerators øjne og ører

FREMSTILLING AF VEKSELSPÆNDING. Induktion Generatorprincippet

Strålingsbeskyttelse ved accelerationsanlæg

Forsøg med Mag. Loop antenner.

Ordliste. Teknisk håndbog om magnetfelter og elektriske felter

SPOLER (DC) Princippet (magnetiske felter) Induktion og selvinduktion Induktans (selvinduktionskoefficient)

ELLÆRENS KERNE- BEGREBER (DC) Hvad er elektrisk: Ladning Strømstyrke Spændingsforskel Resistans Energi og effekt

Billund Bygger Musik: Lærervejledning

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 6

8. Jævn- og vekselstrømsmotorer

Moderne acceleratorers fysik og anvendelse Q3,

Skråplan. Esben Bork Hansen Amanda Larssen Martin Sven Qvistgaard Christensen. 2. december 2008

Elektromagnetisme 15 Side 1 af 5 Molekylært elektrisk felt. Molekylært E-felt i et dielektrikum. mol

Eksamen i fysik 2016

DETTE OPGAVESÆT INDEHOLDER 6 OPGAVER MED IALT 11 SPØRGSMÅL. VED BEDØMMELSEN VÆGTES DE ENKELTE

Relativitetsteori. Henrik I. Andreasen Foredrag afholdt i matematikklubben Eksponenten Thisted Gymnasium 2015

Note om Laplace-transformationen

Resonans 'modes' på en streng

EDR Frederikssund Afdelings Almen elektronik kursus

Lærebogen i laboratoriet

Lineær Beamoptik 3. Først lidt repetition fra sidste gang

Ohms Lov Ohms lov beskriver sammenhæng mellem spænding, strømstyrke og modstand.

KONDENSATORER (DC) Princip og kapacitans Serie og parallel kobling Op- og afladning

Theory Danish (Denmark)

Appendiks 1. I=1/2 kerner. -1/2 (højere energi) E = h ν = k B. 1/2 (lav energi)

Harmonisk oscillator. Thorbjørn Serritslev Nieslen Erik Warren Tindall

Oscillator. Af: Alexander Rosenkilde Alexander Bork Christian Jensen

Opgave 1. (a) Bestem de to kapacitorers kapacitanser C 1 og C 2.

5 Plasmaopvarmning. Figur 5.1. De tre mest anvendte metoder til opvarmning af fusionsplasmaer.

July 23, FysikA Kvantefysik.notebook

Circulating Beams Søren Pape Møller ISA / DANFYSIK A/S Chapter 4 i Wilson - 1 hour

Danmarks Tekniske Universitet

Laserkøling af lagrede ionstråler

Elektromagnetisme 13 Side 1 af 8 Maxwells ligninger. Forskydningsstrømme I S 1

Teoretiske Øvelser Mandag den 28. september 2009

Elektromagnetisme 13 Side 1 af 8 Maxwells ligninger. Forskydningsstrømme I S 1

24 DC til DC omformer

Dynamik. 1. Kræfter i ligevægt. Overvejelser over kræfter i ligevægt er meget vigtige i den moderne fysik.

Løsninger til udvalgte opgaver i opgavehæftet

Klassisk kaos. Kaotiske systemer. Visse regulariteter universalitet

Fysik A - B Aarhus Tech. Niels Junge. Bølgelærer

Transceiver målinger.

Kræfter og Arbejde. Frank Nasser. 21. april 2011

Transkript:

Moderne acceleratorers fysik og anvendelse Forelæsning 6 Longitudinal Dynamik & RF kaviteter Longitudinal dynamik (synkrotroner) Energitilvækst Bundter og Buckets Dispersion Transitionsenergien Synkrotron bevægelse RF kaviteter Genopfriskning (hurtig intro) Elektromagnetiske bølger Skindybde Bølgeledere Gruppe og fase hastighed Den cylindriske kavitet (Pill-box) Q-faktor Shunt-impedance Transittid Indkobling LCR ækvivalent kredsløb RF power generering

Longitudinal dynamik: Indledning Vi betragter her synkrotroner En synkrotron vil have en (el. flere) RF-kaviteter til acceleration RF: RadioFrekvens (3 Hz 3 GHz) Spændingen i en RF-kavitet vil oftest svinge sinusformet V RF V,RF sin(ω RF t), hvor ω RF πf RF

Hvorfor vekselfelter? Maxwell: Dvs. med statiske (eller langsomt varierende) felter er integralet nul rundt langs en ring. Vekselfelt: Feltet kan vende forkert, mens partiklerne er andetsteds.

Longitudinal dynamik: Nogle definitioner Omløbsfrekvens: fβc/πrβc/c RF frekvensen skal være et helt multiplum af omløbsfrekvensen: f RF h f h er den harmoniske Spænding per omgang: V V er den samlede spænding en partikel ser Kunne godt hidrøre fra flere kaviteter VV sin(φ) hvor φ er fasen af partiklen i forhold til RF en (under forudsætning af at RF en svinger sinusformet) Synkron partikel: Modtager lige præcis den rigtige energitilvækst hver omgang V s V sin(φ s )

Bundter og Buckets 1 Den synkrone partikel ser altid den rigtige (passende) spænding Andre partikler vil ikke altid se den passende spænding, men vil i faserummet (φ, ΔE) oscillere i energi og tid (fase), omkring den synkrone partikel

Bundter og Buckets Partiklerne vil samle sig i bundter ( bunches ) omkring den synkrone partikel I et lineært område omkring den synkrone partikel, vil bevægelsen være som en harmonisk oscillator Længere væk vil bevægelsen blive ulineær Det stabile område omkring et givet synkront punkt hedder på engelsk en RF- bucket (en RF- spand ) Hvis φ>π-φ s, så er partiklen ikke låst til en given bucket

Bundter og Buckets 3 Hvis φ>π-φ s, så er partiklen ikke låst til en given bucket

Stationære buckets / addiabatisk indfangning Hvis partiklerne ikke skal accelereres eller ikke taber energi er φ s (V s ) RF- spanden vil da fylde hele faserummet Under f.eks. injektion kan man langsomt skrue op for spændingen Herved kan man opnå en bedre indfangning af f.eks. en kontinuert stråle

Dispersion: Gravitationel analogi Hvorfor falder partiklerne ikke nedenud af maskinen pga. tyngdekraften? Beamet kommer til at ligge lidt under aksen, og får en større afbøjning opad i F-qpolerne Afbøjning: Δ( lbq ) Δz klz, hvor B ρ ρ er stivheden B ρ ρ

Dispersion En partikel med lav impuls afbøjes mere i en magnet Der vil blive dannet en ny lukket bane, som er forskudt. Forskydningen er givet ud fra dispersionsfunktionen D(s) (enhed meter) Δ x D s) Δp p ( D~1-1 m, Δp/p~1-4 -1-3 Δx~1 mm

Beam størrelser Beamets størrelse vil vertikalt være givet udelukkende ved emitansen. Horisontalt vil der derimod også være et bidrag fra impulsspredningen

Udregning af Dispersionen 1 Man kan vise at hvor + + π ϕ ϕ χ χ ϕ π χ π β ) ( ) ( ½ )) ) ( ( )cos( ( ) sin( ) ( ) ( s s d s Q f Q s Q s D s s Q ds s Q f ) ( ) ( og, ) ( ) ( ) ( 3 β ϕ ϕ ρ ϕ β ϕ

Udregning af Dispersionen Alternativt kan man indføre Δp/p som 3. element i matrix beskrivelsen Dispersionsfunktionen er da givet ved De nye matrix elementer kan udregnes som tidligere og findes i alle latticeprogrammer

Dispersionen for jeres test ring

Dispersionen for ASTRID

Fasestabilitet, igen En mere energirig partikel vil bevæge sig på en større bane For hastigheder nær lysets vil farten ikke øges, men banelængden vil være større. En mere energirig partikel vil derfor have en større omløbstid. Hældningen omkring det synkrone punkt må derfor være modsat.

Transitionsenergien Slip-faktoren η angiver forholdet mellem relativ omløbsfrekvens og relativ impuls ændring η Δf Δ f p p p f df dβ ( + dβ dp df dr dr ) dp p dβ β dp p R dr dp 1 γ D R 1 γ 1 γ t 1 γ α γ t kaldes transitionsenergien og er den energi hvor omløbsfrekvensen ikke ændrer sig med energi (eller impuls) α kaldes momentum compaction og er en lattice parameter. Kan også skrives som α ΔC Δp C p, hvor CπR er maskinens omkreds α udregnes af latticeprogrammerne

Synkrotron bevægelse Vi så tidligere at en partikel for små udsving omkring φ s (lineær genskabende kraft) udfører en ellipsebevægelse i faserummet Vi har altså en harmonisk oscillator Denne vil have en frekvens f s, kaldet synkrotron frekvensen Bevægelsen vil være beskrevet ved ^ ΔE ΔE sin(πf st) φ ˆcos( φ πf t) s

Synkrotron bevægelse Ændringen af fasen er givet ud fra afvigelsen af omløbsfrekvensen Differentieres mht. til tiden fås nu EW 5.4) (opg. idet, og ()] ) ( [ γ β γ β η η π π φ E E p p E E f p p f f f h f E f h Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ &

Synkrotron bevægelse 3 Energitilvæksten ΔE & er givet ved Vi kan nu samle som er den fundamentale longitudinale bevægelsesligning Sættes φ s fås for små φ

Synkrotron bevægelse 4 er bevægelsesligningen for en harmonisk oscillator, hvis frekvens (synkrotron frekvensen) er Man kan også udtrykke det ved RF frekvensen f RF hf Ovenstående er under antagelse af at alle parametre (V, β, γ, η, f) ændre sig langsomt i forhold til f s. I praksis er det ikke et problem.

Synkrotron tune På samme måde som vi definerede betatron tune (Qværdien) har vi også synkrotron tune n Typisk temmelig lille (op til 1-1%) Astrid Elektroner: Q s.3%

Synkrotron bevægelse 5 En mere udførlig regning med φ s <> giver at f s η hev cos( φ ) πe β γ s f Ligeledes kan man vise at den maksimale energiafvigelse (Bucket-højden) er givet ved ΔE max β eveγ π s s πhη sin [ cosφ + ( φ ) φ ] s

Opsummering Fasestabilitet Dispersion: Δ x D( s) Δp p Transitionsenergi: η Δf f Δ p p 1 γ 1 γ t 1 γ α Synkrotron frekvens: f s η hev cos( φ ) πe β γ s f Synkrone fase: V sin( φ ) s s V V s : spændingen den synkrone partikel skal have (middelspændingen for beamet)

Kaviteter Genopfriskning (hurtig gennemgang) Elektromagnetiske bølger Skindybde Bølgeledere Gruppe og fase hastighed Den cylindriske kavitet (Pill-box) Q-faktor Shunt-impedance Transittid Indkobling LCR ækvivalent kredsløb RF power generering

Elektromagnetiske bølger I vakuum: I et medie: Poyting vector (local power flux):

Elektriske og magnetisk felter ved en overflade To regler skal være opfyldt langs overfladen af en (perfekt) leder: E Dvs E skal være vinkelret på overfladen H Dvs H skal være parallel med overfladen

Skindybde Skindybden er den afstand (1/e) som et elektromagnetisk felt kan trænge ind i en leder Overflade modstand Bemærk fejl i bogen: Midt på side 14 skal det være konduktiviteten σ og ikke ρ.

Bølgeleder 1 To EM bølger Nederste er en refleksion af den øverste Summen af de to EM bølger Fase hastigheden: v p v/sin(θ)

Bølgeledere Man kan vise at bølgelængden inde i bølgelederen λ g er givet ved hvor λ c er den kritiske bølgelængde for bølgelederen. λ c er givet ud fra dimensionerne af bølgelederen Betingelse: λ<λ c (eller f>f c )

Gruppehastighed / dispersion bølgetallet: kπ/λ Gruppehastigheden: v g dω/dk Er den største hastighed hvormed man kan overføre information Altid mindre end c (lysets hastighed) Fasehastigheden: v ph ω/kf λ Man kan vise at v g v ph c

Generel kavitet Maxwells ligninger: Løsningen kan opdeles i rumlig og tidslig: Rumlig del giver et antal modes: Tidslig ligning: Løsning: Resonans frekvenser: Henfaldstid (fyldningstiden):

Cylindrisk kavitet (Pill-box) For en cylindrisk kavitet har vi Hvilket for l1 og m giver X8Hzm E r, J (P l ) (P 1.45)

Q-faktoren for en kavitet Kvalitetsfaktoren Q for en kavitet er defineret som hvor W s : Energien lagret i det elektromagnetisk felt W d : Energien afsat per periode delt med π P d : Afsat effekt Man kan vise (opg. EW 1.5) at V V Q K K δ S V s V: Kavitetens volumen S: Overflade arealet δ: Skindybden, V s Sδ: Skin volumen

Shunt modstanden V er den spændingsforskel partiklen ser Man kan nu definere shunt modstanden som hvor P d er den afsatte (middel) effekt, som må være lig den effekt vi skal tilføre kaviteten for at opretholde et konstant felt V er den maximale spænding, hvilket giver faktoren R s ~ 1-1 MΩ

Transit-tids faktoren En partikel vil tage tid om at passere kavitetens gab Der vil derfor være en reduktion i den maximale spænding Med fås transit-tids faktoren som angiver reduktionen i spænding En stor G eller en lille β giver en lille Γ For at holde Γ stor laver man ofte nose-cones

Kobling Feltet kan kobles ind i kaviteten via en antenne hvis magnetfelt vekselvirker (eksitere) det magnetiske felt i kaviteten Bemærk næserne

Astrid kaviteten

Multicelle kaviteter For at opnå flere (længere) RF kaviteter, bygger man ofte flere sammen. Dette kan gøres på mange måder. Eksempel: Iris-loaded struktur: Blænderne sikre at fasehastigheden holdes under c (i.e. lig partiklernes) Kan også opfattes som et antal Pill-box e der kobler svagt med hinanden Forskellige modes

Kaviteter til ioner (ferrit fyldte kaviteter) Ioner er ofte langsomme. Når de accelereres ændres frekvensen derfor meget (faktorer, måske endda x1) Man fylder derfor kaviteten med ferrit Høj permeabilitet Kan ændre permeabiliteten med et statisk B-felt (op til en faktor 1) ferritten øger dog tabet og sænker dermed Q et

LCR ækvivalent kredsløb I g : RF generatoren I b : Beam induceret Ser vi bort fra her

LCR ækvivalent kredsløb University Physics: Indføres nu får vi Med fås C L C L Z LC 1 og 1 ω ω ω 4 ) ( 1 ) ( ω ω ω ω + Z R R Z samt og ω ω ω ω ω << Δ Δ Q Z R ) 4( 1 ) ( ω ω ω Δ + Q R Z

LCR ækvivalent kredsløb 3 Energien lagret i en kondensator: Q var i en kavitet forholdet mellem lagret og afsat energi stemmer Ved hvilken frekvens er energien halveret? 1 idet, ) ( ω ω Z C Z V C VC C q W s Z R R V Z V P W Q d s ω ω ω db db Q R Z 3 3 ) ( 1 )) ) (( ( ω ω ω Δ Δ

Svingningstiden (dæmpningstiden/fyldningstiden) Slukker vi generatoren svinger kredsen jo stadig Pga. modstanden vil svingningen langsomt dø ud En ren RC kreds vil aflades med τrc Pga. svingningerne (ml. L og C) fås dog L Q Q τ RC QZC Q C Q LC C ω πf X

RF power generering Transistor baseret (solid state) Dækker stort set alle frekvenser (DC- 3 GHz) Ofte bredbåndet Fra få Watt til -5 kw (DC) DC eller pulseret Rør baseret (tetrode el. triode) Op til nogle få 1 MHz (typisk f.eks. til FM udsendelse (radio)) Smal- eller bredbåndet Up til i hvert fald 1 kw DC Klystron ~3 MHz til ~1GHz Meget smalbåndet Meget power (op til 1 MW DC, og 5 MW pulseret) IOT 3-5 MHz (UHF (TV) udsendelse) Meget smalbåndet Hel del power (5 kw DC) Moderne Klystron i den lavere ende af klystronens frekvensområde

Klystron

Styring / kontrol Man er selvfølgelig nødt til at have elektronik der sikre konstant amplitude konstant på resonans Low-Level RF