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

SLIDE 1

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, ¡ Fall ¡2014 ¡ 1 ¡

SLIDE 2

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, ¡ Fall ¡2014 ¡ 2 ¡

SLIDE 3

accelera$on ¡with ¡DC ¡field ¡ ¡ ¡

DC ¡field ¡are ¡sta*c ¡and ¡result ¡in ¡a ¡constant ¡

increase ¡in ¡energy ¡

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, ¡ Fall ¡2014 ¡ 3 ¡ E(z) ' qE0z

SLIDE 4

accelera$on ¡with ¡RF ¡field ¡ ¡

energy ¡gain ¡from ¡*me-‑dependent ¡field ¡sustain ¡

in ¡a ¡cavity ¡of ¡length ¡ ¡ ¡ ¡ ¡is ¡ ¡

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, ¡ Fall ¡2014 ¡ 4 ¡ E(z) ' qE0T z z

SLIDE 5

phase-‑space ¡dilu$ng ¡effects ¡

space ¡charge ¡effect ¡
chroma*c ¡effects ¡coming ¡from ¡large ¡frac*onal ¡

momentum ¡spread ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡focal ¡length ¡ ¡ PHYS ¡790-‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 5 ¡ F F F = q ✓ 1 γ2E E E⊥ + E E E|| ◆ δ ≡ p − p0 p0 f = f(δ)

SLIDE 6

DC ¡sources ¡

if ¡the ¡par*cle-‑emission ¡ ¡

process ¡is ¡pulsed: ¡bunch ¡ ¡ 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 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡, ¡ ¡ PHYS ¡790-‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 6 ¡ E0 par*cles ¡ γ ∼ O(1) β ≤ 1

SLIDE 7

bunching ¡

low ¡energy ¡bunching ¡relies ¡on ¡ballis*c ¡

bunching ¡ ¡ PHYS ¡790-‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 7 ¡ head ¡ tail ¡ low ¡ energy ¡ high ¡ energy ¡ s σz resonant ¡ cavity ¡

SLIDE 8

bunching ¡(cntd) ¡

consider ¡a ¡par*cle ¡with ¡phase ¡space ¡

coordinate ¡

resonant ¡cavity ¡operated ¡at ¡zero ¡crossing ¡

provides ¡an ¡“accelera*ng” ¡field ¡of ¡the ¡form ¡ ¡ ¡ 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, ¡ Fall ¡2014 ¡ 8 ¡ (z0, δ0) E(z) = E0 sin(kz) k = 2π λ

SLIDE 9

bunching ¡(cntd) ¡

a]er ¡the ¡cavity ¡the ¡par*cle ¡coordinates ¡are ¡
consider ¡a ¡bunch ¡with ¡length ¡<< ¡RF ¡

wavelength ¡and ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡then ¡ ¡ where ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡is ¡the ¡chirp ¡ ¡ ¡ ¡ PHYS ¡790-‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 9 ¡ z1 = z0 δ1 ' δ0 + qE0T γmc2 sin(kz0) δ1 ' Az1 δ0 ' 0 A

SLIDE 10

bunching ¡(cntd) ¡

a ¡par*cle ¡with ¡phase ¡space ¡coordinate ¡ ¡

will ¡move ¡w.r.t. ¡the ¡reference ¡par*cle ¡by ¡an ¡ ¡ amount ¡ ¡

so ¡the ¡final ¡coordinates ¡can ¡be ¡wri_en ¡
proper ¡choice ¡of ¡A ¡leads ¡to ¡bunching ¡ ¡ ¡

PHYS ¡790-‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 10 ¡ (z, δ) z2 = 0 z2 = z0(1 + A D γ2 ) z1 ! z2 ' z1 + D γ2 δ1

SLIDE 11

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 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡, ¡ ¡ PHYS ¡790-‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 11 ¡ β ' 1

SLIDE 12

energy ¡gain ¡in ¡an ¡RF ¡source ¡

for ¡now ¡consider ¡the ¡emission ¡process ¡occur ¡a ¡

the ¡surface ¡of ¡a ¡side ¡wall ¡ ¡

introducing ¡the ¡rela*ve ¡phase ¡ ¡

between ¡the ¡RF ¡and ¡par*cle ¡as ¡ ¡ PHYS ¡790-‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 12 ¡ E0

SLIDE 13

energy ¡gain ¡in ¡an ¡RF ¡source ¡

we ¡get ¡the ¡equa*on ¡of ¡mo*on ¡in ¡the ¡

longitudinal ¡phase ¡space ¡ ¡

with ¡

PHYS ¡790-‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 13 ¡ first ¡derived ¡by ¡K.J ¡Kim ¡

Nucl. ¡Instr. ¡Meth. ¡A ¡275, ¡201 ¡(1989) ¡ ¡

¡

SLIDE 14

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 ¡ PHYS ¡790-‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 14 ¡ ωL βc T T = sin ⇣ ωL βc ⌘ ωL βc

SLIDE 15

electronic-‑emission ¡processes ¡

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

D. ¡Dowell ¡USPAS ¡(2004) ¡ ¡

¡

SLIDE 16

electronic-‑emission ¡processes ¡ ¡

thermionic: ¡heat ¡the ¡cathode ¡so ¡that ¡e-‑ ¡have ¡

sufficient ¡energy ¡to ¡escape ¡the ¡material ¡ ¡

field ¡emission: ¡apply ¡a ¡high ¡field ¡on ¡cathode ¡

surface ¡to ¡lower ¡poten*al ¡barrier ¡ ¡ PHYS ¡790-‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 16 ¡ jfe = AEeB/E Richardson ¡

‑Dushman ¡

Fowler-‑ ¡ Nordheim ¡

SLIDE 17

photoemission ¡

Q = η

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

D. ¡Dowell ¡USPAS ¡(2004) ¡ ¡

¡ number ¡

f ¡e-‑ ¡

quantum ¡ efficiency ¡ number ¡

f ¡photon ¡

ne = ηnγ

SLIDE 18

positron ¡produc$on ¡

use ¡bremsstrahlung ¡radia*on ¡produced ¡as ¡

electron ¡propagate ¡in ¡a ¡high-‑Z ¡target ¡

e+/e-‑ ¡pairs ¡are ¡produced ¡
alternate ¡op*on ¡use ¡high-‑energy ¡photon ¡to ¡

create ¡electron ¡positron ¡pair ¡ ¡ PHYS ¡790-‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 18 ¡ γ → e+ + e−

SLIDE 19

positron ¡produc$on ¡ ¡ (example ¡of ¡advanced ¡concepts) ¡

laser ¡based ¡produc*on ¡
1 ¡J, ¡30 ¡fs ¡laser ¡impinges ¡a ¡He:N2 ¡gas ¡jet ¡

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

G. ¡Sarry ¡et ¡al, ¡Phys. ¡Rev. ¡Le_. ¡110, ¡255002 ¡(2013) ¡

SLIDE 20

example ¡of ¡positron ¡source ¡

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

SLIDE 21

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, ¡ Fall ¡2014 ¡ 21 ¡

SLIDE 22

penning ¡trap ¡

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

wasdasde ¡
R. ¡Scrivens ¡(CERN, ¡1994) ¡

SLIDE 23

electron-‑cyclotron ¡resonance ¡

asdas ¡

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

R. ¡Scrivens ¡(CERN, ¡1994) ¡

SLIDE 24

ion ¡genera$on: ¡example ¡of ¡advanced ¡ concepts ¡

irradiate ¡a ¡thin ¡foil ¡with ¡an ¡intense ¡laser ¡

PHYS ¡790-‑D ¡Special ¡topics ¡in ¡Beam ¡Physics, ¡ Fall ¡2014 ¡ 24 ¡

B. ¡Qiao ¡et ¡al, ¡Phys. ¡Rev. ¡Le_ ¡102, ¡145002 ¡(2009) ¡ ¡