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

Building ¡block ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 1 ¡

sources: ¡parAcle ¡ species ¡+ ¡intensity ¡ (charge) ¡ pre-­‑accelerator ¡(someAme): ¡ boost ¡parAcle ¡energy ¡for ¡ injecAon ¡in ¡accelerator ¡ acceleraAon ¡process: ¡ energy ¡& ¡intensity ¡ front-­‑end ¡use: ¡target, ¡ collisions, ¡radiaAon ¡ producAon ¡

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, ¡ Fall ¡2014 ¡ 2 ¡

Induc9on ¡linacs ¡

• typically ¡used ¡to ¡accelerate ¡very ¡long ¡(up ¡to ¡µs) ¡

high ¡current ¡pulses ¡(typically ¡can ¡accelerate ¡~mC ¡ bunches) ¡

• very ¡few ¡inducAon ¡linacs ¡
• based ¡on ¡Faraday’s ¡law ¡
• pulse ¡current ¡provided ¡by ¡ ¡

a ¡HV ¡pulse ¡forming ¡network ¡

• can ¡be ¡viewed ¡as ¡a ¡transformer ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 3 ¡

∆E = e I E E E.dl l l = −e ∂ ∂t Z

S

B B B.dS S S

pulsed ¡current ¡ to ¡produce ¡t-­‑dependent ¡ magne1c ¡field ¡ ¡

• H. ¡Davis, ¡LINAC’06 ¡, ¡208 ¡(2006) ¡

(see ¡also ¡HW3) ¡

Induc9on ¡linacs ¡(cnt’d) ¡

• state ¡of ¡the ¡art ¡is ¡DARHT ¡at ¡Los ¡Alamos ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 4 ¡

• H. ¡Davis, ¡LINAC’06 ¡, ¡208 ¡(2006) ¡

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 ¡ ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 5 ¡

dE dz ∼ 1014MeV/m

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: ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 6 ¡

σz ⌧ λ 2π

bunch ¡ ¡ length ¡ RF ¡wavelength ¡ before ¡linac ¡ acer ¡linac ¡

δ z δ δ z z

σz ⌧ λ/(2π) σz ∼ λ/(2π)

longitudinal ¡mo9on ¡in ¡a ¡linac ¡

• final ¡energy ¡for ¡a ¡parAcle ¡downstream ¡of ¡an ¡

acceleraAng ¡secAon: ¡

• final ¡posiAon ¡(w.r.t. ¡the ¡reference ¡parAcle) ¡

assuming ¡relaAvisAc ¡beam ¡ ¡ (some ¡ballisAc ¡moAon ¡can ¡occur ¡and ¡is ¡ignored ¡ here; ¡see ¡L09 ¡and ¡HW2) ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 7 ¡

z = z0

• ff-­‑crest ¡

phase ¡ iniAal ¡posiAon ¡ ¡ within ¡bunch ¡ iniAal ¡energy ¡ acceleraAng ¡ voltage ¡ V = qT E0L

E = E0 + V cos(kz0 + φ)

rewri9ng ¡in ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

• remember ¡that ¡
• take ¡the ¡reference ¡parAcle ¡to ¡coincide ¡with ¡

bunch ¡barycenter ¡

• then ¡final ¡fracAonal ¡momentum ¡spread ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡where ¡ ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 8 ¡

(z, δ)

δ = p pref − 1

pref = hpi

δ ' E hEi 1

δ ' δ0 hE0i hEi + V hEi[cos(kz0 + φ) cos φ] hEi ⌘ hE0i + V cos φ

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, ¡ Fall ¡2014 ¡ 9 ¡

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, ¡ Fall ¡2014 ¡ 10 ¡

bunch ¡compression ¡

• incoming ¡is ¡bunch ¡

is ¡chirped ¡(like ¡for ¡ ballisAc ¡bunching; ¡ ¡ see ¡L09) ¡

• a ¡parAcle ¡with ¡iniAal ¡coordinate ¡(z0,δ0) ¡is ¡

delayed ¡by ¡ ¡ ¡ now ¡R56 ¡depends ¡on ¡the ¡geometry ¡of ¡the ¡ “bunch ¡compressor”. ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 11 ¡

z = z0 + R56δ0

high ¡energy ¡ low ¡energy ¡

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 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡if ¡there ¡is ¡an ¡uncorrelated ¡(stochasAc) ¡energy ¡ spread ¡the ¡minimum ¡final ¡achievable ¡bunch ¡ length ¡is: ¡ ¡ ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 12 ¡

zf = z0(1 + CR56) σz,f = R56σδ,0

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 ¡

¡ ¡ ¡ ¡ the ¡criterion ¡is ¡not ¡strictly ¡ ¡ valid ¡but ¡provides ¡guidance. ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 13 ¡

f [MHz] ∼ 1.64(Emax [MV/m])2 exp ✓ − 8.5 Emax [MV/m] ◆

choice ¡of ¡linac ¡frequency ¡(CNT’D) ¡

• Kilpatrick’s ¡criterion ¡provides ¡some ¡incenAve ¡

to ¡go ¡to ¡higher ¡frequency ¡

• Take ¡ ¡
• Then ¡the ¡net ¡acceleraAon ¡from ¡a ¡pillbox ¡cavity ¡ ¡

with ¡length ¡ ¡

• for ¡a ¡total ¡linac ¡length ¡L ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 14 ¡

Emax ∼ f 1/2 ∼ λ−1/2 λ/2

E ∝ λ1/2

Etotal ∝ λ1/2 L λ ∝ λ−1/2

• peraAng ¡at ¡higher ¡

frequency ¡can ¡lead ¡to ¡ higher ¡energy ¡gain ¡ ¡ for ¡a ¡given ¡linac ¡length ¡

frequency ¡bands ¡ ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 15 ¡

W ¡ ¡ ¡ ¡ ¡THz ¡ RF ¡linac ¡

SLAC ¡linear ¡collider ¡(SLC) ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 16 ¡

• 1987-­‑1998 ¡

high-­‑frequency ¡linacs ¡

• 94-­‑GHz ¡linac ¡(W ¡band) ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 17 ¡

λ/2

high-­‑frequency ¡(X-­‑band) ¡linacs ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 18 ¡

e l e c t r

• n

s ¡

• W. ¡S. ¡Graves ¡et ¡al. ¡ ¡

¡arXiv:1409.6954 ¡[physics.acc-­‑ph] ¡ (2014) ¡

limita9ons ¡of ¡normal ¡conduc9ng ¡RF ¡ (NCRF) ¡linacs ¡

• finite ¡resistance ¡of ¡the ¡conductor ¡used ¡to ¡

make ¡the ¡resonant ¡cavity ¡leads ¡to ¡losses ¡ (Joule): ¡

• surface ¡impedance ¡depends ¡on ¡skin-­‑depth ¡

(field ¡penetraAon) ¡ ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 19 ¡

P = 1 2Rs|H|||2dS

shunt ¡impedance ¡ Rs =

1 σδ(ω)

superconduc9ng ¡RF ¡(SCRF) ¡linacs ¡

• skin ¡depth ¡is ¡replaced ¡ ¡

by ¡London ¡penetraAon ¡ ¡ depth ¡typically ¡

• ideally ¡conducAvity ¡is ¡ ¡
• pracAcal ¡limitaAon ¡(some ¡ ¡

e-­‑ ¡in ¡“NC” ¡state) ¡leads ¡ ¡ to ¡residual ¡surface ¡impedance… ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 20 ¡

λL ∼ 50 nm σ → ∞

data ¡ ¡measured ¡for ¡ niobium ¡(Tc=9 ¡K) ¡ ¡ [TESLA ¡coll. ¡DESY, ¡Hamburg] ¡

superconduc9ng ¡RF ¡(SCRF) ¡linacs ¡

• quality ¡factor ¡of ¡superconducAng ¡resonator ¡is ¡very ¡high ¡typically ¡

109-­‑1010 ¡

• energy ¡can ¡remained ¡stored ¡

for ¡a ¡very ¡long ¡Ame ¡(ms) ¡and ¡ ¡ enable ¡the ¡acceleraAon ¡of ¡ ¡ a ¡conAnuous ¡(or ¡pulsed) ¡train ¡ ¡

• f ¡bunches ¡ ¡
• This ¡feature ¡is ¡put ¡at ¡use ¡in: ¡

– high-­‑intensity ¡proton/ion ¡source ¡ (e.g. ¡spallaAon ¡neutron ¡source), ¡ ¡ – high ¡average ¡brightness ¡accelerator ¡ based ¡light ¡source ¡(MW ¡free-­‑electron ¡ laser, ¡next-­‑generaAon ¡X-­‑ray ¡light ¡source) ¡ – nuclear ¡and ¡elementary ¡parAcle ¡physics ¡ increase ¡collision ¡rates ¡and ¡staAsAcs. ¡ ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 21 ¡

next ¡linear ¡colliders ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 22 ¡

• internaAonal ¡linear ¡e+/e-­‑ ¡collider ¡

recircula9ng ¡linac ¡

PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 23 ¡

• CEBAF: ¡conAnuous ¡

electron ¡beam ¡ ¡ accelerator ¡facility ¡

• beam ¡is ¡recirculated ¡

in ¡a ¡pair ¡of ¡linacs ¡ ¡ for ¡many ¡passes ¡

• this ¡behaves ¡like ¡a ¡ ¡

long ¡linac ¡(though ¡recirculaAon ¡arcs ¡set ¡a ¡limit ¡

• n ¡achievable ¡bunch ¡length,…) ¡ ¡ ¡