par$cles sources produce par*cles provide ini*al - PowerPoint PPT Presentation

par$cles ¡sources ¡ ¡ • produce ¡par*cles ¡ • provide ¡ini*al ¡accelera*on ¡ • bunch ¡the ¡beam ¡ • prepare ¡ the ¡ beam ¡ for ¡ injec*on ¡ into ¡ an ¡ accelerator ¡(linac ¡or ¡ring) ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 1 ¡ Fall ¡2014 ¡

configura$on ¡ • par*cle ¡crea*on ¡process ¡ • par*cle ¡accelera*on ¡to ¡ ¡relevant ¡energies ¡ • par*cle ¡manipula*on ¡for ¡injec*on ¡in ¡an ¡ accelerator: ¡ – bunching, ¡ ¡ – preaccelera*on, ¡ – focusing. ¡ ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 2 ¡ Fall ¡2014 ¡

accelera$on ¡with ¡DC ¡field ¡ ¡ ¡ • DC ¡field ¡are ¡sta*c ¡and ¡result ¡in ¡a ¡constant ¡ increase ¡in ¡energy ¡ E ( z ) ' qE 0 z • DC-­‑field ¡amplitude ¡is ¡generally ¡limited ¡ • DC ¡fields ¡can ¡accelerate ¡coa*ng ¡beam ¡(but ¡do ¡ not ¡provide ¡a ¡mechanism ¡to ¡“bunch” ¡the ¡ beam. ¡ ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 3 ¡ Fall ¡2014 ¡

accelera$on ¡with ¡RF ¡field ¡ ¡ • energy ¡gain ¡from ¡*me-­‑dependent ¡field ¡sustain ¡ in ¡a ¡cavity ¡of ¡length ¡ ¡ ¡ ¡ ¡is ¡ ¡ z E ( z ) ' qE 0 T z • RF ¡field ¡amplitude ¡can ¡be ¡substan*al ¡(~100 ¡ MV/m ¡depending ¡on ¡the ¡field ¡frequency) ¡ • RF ¡field ¡produces ¡bunched ¡beam ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 4 ¡ Fall ¡2014 ¡

phase-­‑space ¡dilu$ng ¡effects ¡ • space ¡charge ¡effect ¡ ✓ 1 ◆ F E E F F = q γ 2 E E ⊥ + E E || • chroma*c ¡effects ¡coming ¡from ¡large ¡frac*onal ¡ momentum ¡spread ¡ ¡ δ ≡ p − p 0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡focal ¡length ¡ ¡ f = f ( δ ) p 0 PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 5 ¡ Fall ¡2014 ¡

DC ¡sources ¡ E 0 • if ¡the ¡par*cle-­‑emission ¡ ¡ process ¡is ¡pulsed: ¡bunch ¡ ¡ par*cles ¡ are ¡formed ¡ • if ¡constant ¡DC ¡field ¡the ¡ ¡ beam ¡needs ¡to ¡be ¡bunched ¡ • kine*c ¡energy ¡of ¡par*cles ¡ is ¡usually ¡very ¡low ¡(100 ¡keV ¡electron) ¡so ¡that ¡ ¡ the ¡beam ¡is ¡non-­‑rela*vis*c ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡, ¡ ¡ γ ∼ O (1) β ≤ 1 PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 6 ¡ Fall ¡2014 ¡

bunching ¡ • low ¡energy ¡bunching ¡relies ¡on ¡ballis*c ¡ bunching ¡ ¡ resonant ¡ σ z cavity ¡ s tail ¡ head ¡ high ¡ low ¡ energy ¡ energy ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 7 ¡ Fall ¡2014 ¡

bunching ¡(cntd) ¡ • consider ¡a ¡par*cle ¡with ¡phase ¡space ¡ coordinate ¡ ( z 0 , δ 0 ) • resonant ¡cavity ¡operated ¡at ¡zero ¡crossing ¡ provides ¡an ¡“accelera*ng” ¡field ¡of ¡the ¡form ¡ k = 2 π ¡ E ( z ) = E 0 sin( kz ) ¡ λ so ¡that ¡the ¡par*cle ¡at ¡the ¡center ¡of ¡the ¡bunch ¡ does ¡not ¡received ¡any ¡energy ¡gain ¡ ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 8 ¡ Fall ¡2014 ¡

bunching ¡(cntd) ¡ • a]er ¡the ¡cavity ¡the ¡par*cle ¡coordinates ¡are ¡ z 1 = z 0 δ 1 ' δ 0 + qE 0 T γ mc 2 sin( kz 0 ) • consider ¡a ¡bunch ¡with ¡length ¡<< ¡RF ¡ wavelength ¡and ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡then ¡ δ 0 ' 0 ¡ δ 1 ' Az 1 where ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡is ¡the ¡chirp ¡ ¡ ¡ ¡ A PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 9 ¡ Fall ¡2014 ¡

bunching ¡(cntd) ¡ • a ¡par*cle ¡with ¡phase ¡space ¡coordinate ¡ ¡ ( z, δ ) will ¡move ¡w.r.t. ¡the ¡reference ¡par*cle ¡by ¡an ¡ ¡ amount ¡ z 1 ! z 2 ' z 1 + D γ 2 δ 1 ¡ • so ¡the ¡final ¡coordinates ¡can ¡be ¡wri_en ¡ z 2 = z 0 (1 + A D γ 2 ) • proper ¡choice ¡of ¡A ¡leads ¡to ¡bunching ¡ ¡ ¡ z 2 = 0 PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 10 ¡ Fall ¡2014 ¡

RF ¡sources ¡ • can ¡produce ¡bunched ¡ beam ¡ • Emission ¡process ¡is ¡ ¡ located ¡inside ¡a ¡resonant ¡ ¡ cavity ¡to ¡insure ¡prompt ¡ accelera*on ¡ • kine*c ¡energy ¡of ¡par*cles ¡ is ¡usually ¡substan*al ¡(5 ¡MeV ¡electron) ¡so ¡that ¡ ¡ the ¡beam ¡is ¡non-­‑ultrarela*vis*c ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡, ¡ ¡ β ' 1 PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 11 ¡ Fall ¡2014 ¡

energy ¡gain ¡in ¡an ¡RF ¡source ¡ • for ¡now ¡consider ¡the ¡emission ¡process ¡occur ¡a ¡ the ¡surface ¡of ¡a ¡side ¡wall ¡ ¡ E 0 • introducing ¡the ¡rela*ve ¡phase ¡ ¡ between ¡the ¡RF ¡and ¡par*cle ¡as ¡ ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 12 ¡ Fall ¡2014 ¡

energy ¡gain ¡in ¡an ¡RF ¡source ¡ • we ¡get ¡the ¡equa*on ¡of ¡mo*on ¡in ¡the ¡ longitudinal ¡phase ¡space ¡ ¡ first ¡derived ¡by ¡K.J ¡Kim ¡ • with ¡ Nucl. ¡Instr. ¡Meth. ¡A ¡ 275 , ¡201 ¡(1989) ¡ ¡ ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 13 ¡ Fall ¡2014 ¡

accelera$on ¡of ¡ ¡non ¡rela$vis$c ¡beams ¡ • the ¡lengths ¡of ¡the ¡accelera*ng ¡cavity ¡cells ¡ need ¡to ¡match ¡to ¡the ¡velocity ¡in ¡order ¡to ¡ maximize ¡the ¡ ¡ transit-­‑*me ¡ ¡ factor ¡ ⇣ ⌘ ω L sin T β c T = ω L β c ω L PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 14 ¡ β c Fall ¡2014 ¡

electronic-­‑emission ¡processes ¡ D. ¡Dowell ¡USPAS ¡(2004) ¡ ¡ ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 15 ¡ Fall ¡2014 ¡

electronic-­‑emission ¡processes ¡ ¡ • thermionic: ¡heat ¡the ¡cathode ¡so ¡that ¡e-­‑ ¡have ¡ sufficient ¡energy ¡to ¡escape ¡the ¡material ¡ ¡ Richardson ¡ -­‑Dushman ¡ • field ¡emission: ¡apply ¡a ¡high ¡field ¡on ¡cathode ¡ surface ¡to ¡lower ¡poten*al ¡barrier ¡ Fowler-­‑ ¡ ¡ j fe = AEe B/E Nordheim ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 16 ¡ Fall ¡2014 ¡

n e = η n γ photoemission ¡ number ¡ quantum ¡ of ¡e-­‑ ¡ efficiency ¡ D. ¡Dowell ¡USPAS ¡(2004) ¡ ¡ number ¡ ¡ Q = η of ¡photon ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 17 ¡ Fall ¡2014 ¡

positron ¡produc$on ¡ • use ¡bremsstrahlung ¡radia*on ¡produced ¡as ¡ electron ¡propagate ¡in ¡a ¡high-­‑Z ¡target ¡ • e+/e-­‑ ¡pairs ¡are ¡produced ¡ γ → e + + e − • alternate ¡op*on ¡use ¡high-­‑energy ¡photon ¡to ¡ create ¡electron ¡positron ¡pair ¡ ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 18 ¡ Fall ¡2014 ¡

positron ¡produc$on ¡ ¡ (example ¡of ¡advanced ¡concepts) ¡ • laser ¡based ¡produc*on ¡ • 1 ¡J, ¡30 ¡fs ¡laser ¡impinges ¡a ¡He:N 2 ¡gas ¡jet ¡ G. ¡Sarry ¡et ¡al, ¡Phys. ¡Rev. ¡Le_. ¡ 110 , ¡255002 ¡(2013) ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 19 ¡ Fall ¡2014 ¡

example ¡of ¡positron ¡source ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 20 ¡ Fall ¡2014 ¡

ion ¡genera$on ¡ • Two ¡steps: ¡ – ion ¡produc*on ¡mechanism: ¡usually ¡take ¡place ¡ using ¡a ¡plasma ¡and ¡is ¡based ¡on: ¡ • collision ¡ • surface ¡mechanism ¡(e.g. ¡desorp*on) ¡ • atomic ¡process ¡(e.g. ¡ioniza*on, ¡…) ¡ – ion ¡extrac*on ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 21 ¡ Fall ¡2014 ¡

penning ¡trap ¡ R. ¡Scrivens ¡(CERN, ¡1994) ¡ • wasdasde ¡ PHYS ¡790-­‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ 22 ¡ Fall ¡2014 ¡