Building block sources: parAcle acceleraAon process: - PowerPoint PPT Presentation

Building ¡block ¡ sources: ¡parAcle ¡ acceleraAon ¡process: ¡ species ¡+ ¡intensity ¡ energy ¡& ¡intensity ¡ (charge) ¡ front-­‑end ¡use: ¡target, ¡ pre-­‑accelerator ¡(someAme): ¡ collisions, ¡radiaAon ¡ boost ¡parAcle ¡energy ¡for ¡ producAon ¡ injecAon ¡in ¡accelerator ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 1 ¡ Fall ¡2014 ¡

Radiofrequency ¡(RF) ¡linacs ¡ • most ¡commonly ¡encountered ¡ • Ame ¡dependent ¡field ¡sustained ¡in ¡a ¡resonant ¡ cavity ¡(see ¡L3) ¡ • a ¡linac ¡consists ¡of ¡many ¡resonant ¡caviAes ¡ • the ¡frequency ¡choice ¡is ¡a ¡compromise ¡between: ¡ – maximum ¡field ¡and ¡size, ¡ ¡ – achievable ¡bunch ¡length ¡at ¡injecAon ¡ – linac ¡composed ¡of ¡secAon ¡operaAng ¡at ¡different ¡ (harmonic) ¡frequency ¡is ¡someAme ¡used ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 2 ¡ Fall ¡2014 ¡

(see ¡also ¡HW3) ¡ Induc9on ¡linacs ¡ • typically ¡used ¡to ¡accelerate ¡very ¡long ¡(up ¡to ¡ µ s) ¡ high ¡current ¡pulses ¡(typically ¡can ¡accelerate ¡~mC ¡ bunches) ¡ H. ¡Davis, ¡LINAC’06 ¡, ¡208 ¡(2006) ¡ • very ¡few ¡inducAon ¡linacs ¡ • based ¡on ¡Faraday’s ¡law ¡ l = − e ∂ I Z E l B S ∆ E = e E E.dl B B.dS S ∂ t S • pulse ¡current ¡provided ¡by ¡ ¡ pulsed ¡current ¡ a ¡HV ¡pulse ¡forming ¡network ¡ to ¡produce ¡t-­‑dependent ¡ magne1c ¡field ¡ ¡ • can ¡be ¡viewed ¡as ¡a ¡transformer ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 3 ¡ Fall ¡2014 ¡

Induc9on ¡linacs ¡(cnt’d) ¡ • state ¡of ¡the ¡art ¡is ¡DARHT ¡at ¡Los ¡Alamos ¡ H. ¡Davis, ¡LINAC’06 ¡, ¡208 ¡(2006) ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 4 ¡ Fall ¡2014 ¡

Linac ¡configura9on ¡ • focusing ¡laace ¡interspaces ¡with ¡caviAes, ¡ • not ¡subject ¡to ¡radiaAon ¡loss ¡(synchrotron ¡ radiaAon). ¡A ¡limit ¡can ¡be ¡formulated ¡ ¡ ¡ • to ¡be ¡limited ¡by ¡radiaAon ¡we ¡would ¡need ¡an ¡ acceleraAng ¡gradient ¡ ¡ dE dz ∼ 10 14 MeV/m PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 5 ¡ Fall ¡2014 ¡

Linac ¡configura9on ¡ • no ¡need ¡for ¡laace ¡periodicity ¡(the ¡beam ¡sees ¡ the ¡laace ¡once), ¡ ¡ • choice ¡of ¡cavity ¡frequency ¡depends ¡on ¡bunch ¡ length ¡to ¡be ¡accelerated, ¡one ¡typically ¡wants ¡ to ¡insure: ¡ δ σ z ⌧ λ / (2 π ) RF ¡wavelength ¡ δ z σ z ⌧ λ z δ σ z ∼ λ / (2 π ) bunch ¡ ¡ 2 π length ¡ z before ¡linac ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 6 ¡ acer ¡linac ¡ Fall ¡2014 ¡

longitudinal ¡mo9on ¡in ¡a ¡linac ¡ • final ¡energy ¡for ¡a ¡parAcle ¡downstream ¡of ¡an ¡ acceleraAng ¡secAon: ¡ acceleraAng ¡ voltage ¡ V = q T E 0 L E = E 0 + V cos( kz 0 + φ ) off-­‑crest ¡ iniAal ¡posiAon ¡ ¡ phase ¡ iniAal ¡energy ¡ within ¡bunch ¡ • final ¡posiAon ¡(w.r.t. ¡the ¡reference ¡parAcle) ¡ assuming ¡relaAvisAc ¡beam ¡ ¡ z = z 0 (some ¡ballisAc ¡moAon ¡can ¡occur ¡and ¡is ¡ignored ¡ here; ¡see ¡L09 ¡and ¡HW2) ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 7 ¡ Fall ¡2014 ¡

rewri9ng ¡in ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ( z, δ ) p • remember ¡that ¡ δ = − 1 p ref • take ¡the ¡reference ¡parAcle ¡to ¡coincide ¡with ¡ bunch ¡barycenter ¡ p ref = h p i δ ' E • then ¡final ¡fracAonal ¡momentum ¡spread ¡ h E i � 1 h E 0 i h E i + V δ ' δ 0 h E i [cos( kz 0 + φ ) � cos φ ] ¡ ¡ ¡ ¡ ¡where ¡ ¡ h E i ⌘ h E 0 i + V cos φ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 8 ¡ Fall ¡2014 ¡

Some ¡applica9ons ¡of ¡linacs ¡ ¡ • elementary-­‑parAcle ¡physics: ¡ – linear ¡collider ¡(e+/e-­‑) ¡(decommissioned ¡SLC, ¡ILC?) ¡ – Nuclear ¡Physics: ¡electron-­‑on-­‑target ¡experiment ¡ (CEBAF, ¡JLab) ¡ – high-­‑intensity ¡beam ¡for ¡neutrino ¡factories, ¡ ¡ – etc… ¡ • accelerator-­‑based ¡light ¡source: ¡ – short ¡wavelength ¡free-­‑electron ¡laser, ¡ – high-­‑power ¡infrared ¡radiaAon ¡for ¡defense ¡applicaAon ¡ – sub-­‑mm ¡wave ¡producAon ¡(THz)… ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 9 ¡ Fall ¡2014 ¡

linac ¡can ¡produce ¡short ¡bunches ¡ • bunch ¡length ¡in ¡storage ¡ring ¡is ¡limited ¡by ¡ staAsAcal ¡effects ¡to ¡an ¡equilibrium ¡bunch ¡ length; ¡APS ¡typically ¡produce ¡10 ¡ps ¡bunches ¡ • linacs ¡are ¡not ¡subject ¡to ¡such ¡a ¡limitaAon ¡ • bunching ¡occurs ¡by ¡introducing ¡an ¡inserAon ¡ beamline ¡that ¡provides ¡an ¡energy ¡dependent ¡ path ¡length ¡variaAon… ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 10 ¡ Fall ¡2014 ¡

bunch ¡compression ¡ • incoming ¡is ¡bunch ¡ is ¡chirped ¡(like ¡for ¡ high ¡energy ¡ ballisAc ¡bunching; ¡ ¡ see ¡L09) ¡ low ¡energy ¡ • a ¡parAcle ¡with ¡iniAal ¡coordinate ¡(z 0 , δ 0 ) ¡is ¡ delayed ¡by ¡ ¡ z = z 0 + R 56 δ 0 ¡ now ¡ R 56 ¡depends ¡on ¡the ¡geometry ¡of ¡the ¡ “bunch ¡compressor”. ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 11 ¡ Fall ¡2014 ¡

how ¡short? ¡ ¡ • one ¡can ¡follow ¡the ¡exact ¡same ¡treatment ¡as ¡ for ¡ballisAc ¡bunching ¡and ¡show ¡that ¡the ¡final ¡ (downstream ¡of ¡the ¡bunch ¡compressor ¡ beamline) ¡longitudinal ¡coordinate ¡is ¡given ¡by ¡ ¡ z f = z 0 (1 + C R 56 ) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡if ¡there ¡is ¡an ¡uncorrelated ¡(stochasAc) ¡energy ¡ spread ¡the ¡minimum ¡final ¡achievable ¡bunch ¡ length ¡is: ¡ ¡ ¡ σ z,f = R 56 σ δ , 0 PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 12 ¡ Fall ¡2014 ¡

choice ¡of ¡linac ¡frequency ¡ • beyond ¡beam ¡dynamics ¡consideraAon, ¡the ¡ linac ¡frequency ¡also ¡has ¡implicaAon ¡on ¡the ¡ maximum ¡peak ¡field ¡achievable ¡in ¡the ¡ resonant ¡cavity ¡ • This ¡is ¡the ¡Kilpatrick ¡criterion ¡ ✓ 8 . 5 ◆ f [MHz] ∼ 1 . 64( E max [MV/m]) 2 exp − ¡ ¡ ¡ ¡ E max [MV/m] the ¡criterion ¡is ¡ not ¡strictly ¡ ¡ valid ¡but ¡provides ¡guidance. ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 13 ¡ Fall ¡2014 ¡

choice ¡of ¡linac ¡frequency ¡(CNT’D) ¡ • Kilpatrick’s ¡criterion ¡provides ¡some ¡incenAve ¡ to ¡go ¡to ¡higher ¡frequency ¡ E max ∼ f 1 / 2 ∼ λ − 1 / 2 • Take ¡ ¡ • Then ¡the ¡net ¡acceleraAon ¡from ¡a ¡pillbox ¡cavity ¡ ¡ with ¡length ¡ ¡ λ / 2 E ∝ λ 1 / 2 • for ¡a ¡total ¡linac ¡length ¡ L ¡ operaAng ¡at ¡ higher ¡ frequency ¡ can ¡lead ¡to ¡ E total ∝ λ 1 / 2 L higher ¡energy ¡gain ¡ ¡ λ ∝ λ − 1 / 2 for ¡a ¡given ¡linac ¡length ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 14 ¡ Fall ¡2014 ¡

frequency ¡bands ¡ ¡ RF ¡linac ¡ W ¡ ¡ ¡ ¡ ¡THz ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 15 ¡ Fall ¡2014 ¡

SLAC ¡linear ¡collider ¡(SLC) ¡ • 1987-­‑1998 ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 16 ¡ Fall ¡2014 ¡

high-­‑frequency ¡linacs ¡ • 94-­‑GHz ¡linac ¡(W ¡band) ¡ λ / 2 PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 17 ¡ Fall ¡2014 ¡

high-­‑frequency ¡(X-­‑band) ¡linacs ¡ W. ¡S. ¡Graves ¡et ¡al. ¡ ¡ ¡arXiv:1409.6954 ¡[physics.acc-­‑ph] ¡ (2014) ¡ s ¡ o n t r e c e l PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 18 ¡ Fall ¡2014 ¡