Hızlandırıcı Tipleri Elektrostatik Hızlandırıcılar: Her parçacık oluşturulan bir potansiyel farkını bir kez geçerek kinetik enerji kazanır.kazanılan kinetik enerji uygulanan potansiyel ile sınırlıdır. İki nokta arası uygulanabilen potansiyel farkı kıvılcım boşalmasından dolayı sınırlı olduğundan (max Daresbury de 20 MV.) hızlandırma sınırlıdır. Avantajı sürekli demetler hızlandırılabilmesidir. Bugün hala birçok nükleer deneyler elektrostatik hızlandırıcı ile yapılmaktadır.
Hızlandırıcı Tipleri Zamanla değişen alan hızlandırıcılar: Bu tip hızlandırıcılar parçacık zamanla değişen EM alnı içine atılır ve Elektrik alanın pozitif yanına maruz bırakılarak hızlandırma sağlanır. EM alanının hızlandırma yönünde elektrik alanının olması ve mümkünse parçacığın kazandığı doğrusal hızı azaltmayacak bir manyetik alan olmaması istenir. Elektromanyetik alanın gücünden faydalanarak çok yüksek hızlandırma voltajı elde edilebilir. Dezavantajı paketçik yapıda ve enerji yayılımı olan paracıklar hızlandırılır. Tipleri: Time Varying Fields linear accelerators Ising (1924) and Wideroe (1928) Cyclotron Lawrence (1930) Synchrotron Oliphant (1943) Synchrocyclotron and Betatron McMillan and Veksler (1944) Alvarez Linac McMillan (1946)
Hızlandırıcı Tipleri Wideroe Linac: Rezonans RF oyuklarının ilk uygulamasıdır. RF alanları oyuğun duvarlarına aktarılarak açıklıklarda salınan bir elektrik alan üretilir. Cyclotron: RF alanı bu kez Dee olarak adlandırılan manyetik kutupların arasına uygulanır. Parçacık her dönüşünde alan da yön değiştirerek parçacık pozitif alana maruz kalır. RF frekansı ve manyetik alan sabittir. Synchrocyclotron da ise RF frekansı değiştirilen tip cyclatrondur.
Hızlandırıcı Tipleri Synchrotron: parçacık sabit bir dairesel yörüngede tutulur. Yörünge üzerine konulan RF oyukları ile hızlandırma sağlanır. Parçacık bu yörüngeyi defalarca dolanarak RF alanına maruz kalır ve çok yüksek enerjilere çıkılabilir. Hızlandırma limiti parçacıkların dairesel yaptığı ışınım ile sınırlıdır. Belirli bir enerjiden sonra parçacıklar bir turda kazandıkları enerjiyi ışınım yolu ile kaybeder. Parçacıklar sycnhrotrona başka bir ön hızlandırıcıdan enjekte edilir. Halka içerisinde hızı ışık hızı olduğundan RF frekansı ve manyetik alan şiddetleri sabittir. Tur başına enerji kaybı
Hızlandırıcı Tipleri Betatron :Parçacıklar değişken manyetik alan içerisinde hızlandırılır. Zamanla değişen manyetik alanın zamanla değişen elektrik alan oluşturması prensibine dayanır. Hızlandırıcı fiziğinde betatronun önemi büyüktür. Parçacıkların yörüngede dolanı esnasında ideal yörüngeden saparak yapmış olduğu salınımlar betatron salınımı olarak adlandırılır. Günümüzün hızlandırıcılarında da enine salınımlar aynı teoik prensibe dayalı olarak incelenir.
Hızlandırıcı Tipleri Alvarez Linac : Günümüzün doğrusal hızlandırıcılarının temelini oluşturmuştur. Wideroe linac yapısına benzerdir. RF alanı oyuğun duvarlarına aktarılır oyuk içersinde salınımı sağlanır. Başlangıçta yüksek frekans ile salınan RF dalgaları olmadığı için parçacıkların enerjileri düşük ve gittikçe artar durumdadır. Driflterin uzunluğu bundan dolayı giderek artar yapıdadır. Günümüzdeki klaystron teknolojisinin gelişmesi ile birlikte yüksek frekansta RF alanı üretilebilmekte ve yüksek gradyenlere ulaşılabilmektedir. Özellikle elektronlar için Drift lerin uzunluğu sabit ve kısa yapıdadır.
Demetin Yönlendirilmesi ve Odaklanması Özellikle dairesel hızlandırıcılarda demetin dairesel tolda hareketi yörünge üzerine konulan eğici iki kutup manyetler ile sağlanır. ur ur r ur F = qe ( + v B) Paketçik halindeki demetler hareketi boyunca odaklanma ihtiyacı duyar. Odaklama gene eğici manyetler de olduğu gibi dört kutup yada altı kutup mıknatıslar ile sağlanır.
Demetin Taşınımı Demet hızlandırıcı oyuklardan çıktıktan sonra gerek deneylerin yapılacağı bölgeye gerekse tekrar hızlandırıcı oyuğa enjekte edilmesi için taşınma sistemleri yularda bahsettiğim elemanlar ile yapılır. Dört kutupların yapısı gereği bir dört kutup bir düzlemde odaklama yaparken ona dik olan diğer düzlemde dağıtma yapmaktadır. Bundan dolayı dört kutuplar 90 derecelik dönme ile ard arda konumlandırılır. Bu en basit örgüye FODO denir.
RF Rezonans Oyukları Radyo frekans mertebesinde frekansa sahip yüksek güçte elektro manyetik alan doğrusal elektrik alan ve azimtuthal manyetik alan olarak salınması için rezonans oyukları kullanılır. Bunlardan en basiti dalga silindirik dalga kılavuzudur. Etkin bir hızlandırma için elektrik dalgasının grup hızı parçacığın hızına eşit olmalıdır. Kavuzlar içersinde salınan alanın grup hızı ışık hızından fazla olacağı için dalga kılavuzu diskler ile sınırlandırılır.
RF oyukları
Parçacıkların Enine Hareketi Betatronda bahsedildiği gibi ideal yörüngeden sapan parçacıkların hareketi u'' + K( s) u = 0 u x veya y us () = ε β()sin(() s φ s+ φ ) o
Parçacıkların Boyuna hareketi 2 Ω ϕ+ + cosψ s ( sin ( ψs ϕ) ψs) sin 0 2 = Ω = βcknηc dv e cp T dψ 0 0 ψ s
Neden Yüksek Enerji Figure : Bar charts of the numbers of different sparticle species observable in a number of benchmark supersymmetric scenarios at different colliders, including the LHC and linear e+e- colliders with various centre-of-mass energies.
Compact Linear Collider (CLIC) 326 klystrons 33 MW, 139 ms drive beam accelerator 2.37 GeV, 1.0 GHz 1 km delay loop CR CR 2 combiner rings Circumferences delay loop 80.3 m CR1 160.6 m CR2 481.8 m drive beam accelerator 2.37 GeV, 1.0 GHz decelerator, 24 sectors of 868 m BDS BDS BC2 2.75 2.75 km BC2 245m km 245m TA e - main linac, 12 GHz, 100 MV/m, 21 km IP1 e + main linac TA R=120 R= 120 m 48 km m CR 2 CR dela y 1 326 klystrons 33 MW, 139 Drive Beam Generation Complex CLIC overall layout 3 TeV e - injector 2.4 GeV e - DR 365m BC1 booster linac, 9 GeV, 2 GHz e + DR 365m e + injector, 2.4 GeV Main Beam Generation Complex
CLIC Teknolojisi CLIC bu güne kadar ulaşılamamış gradyene ulaşmayı amaçlamaktadır. (100 MeV/m) Gradyen RF frekansı ile ilişkilidir. RF frekansı RF oyuklarının boyutlarını belirler Bunun için yüksek güçte ve fekansta RF kaynağına ihtiyaç duyulmaktadır. Inductive Output Tubes (IOTs) ya da Klaystron sistemleri ile erişilebilen güç ve frekans ~160MW@3GHz olduğu için ikincil demet hızlandırıcısına ihtiyaç duyulmuştur. (~460 MW/m). İkincil demet hızlandırıcılı sistemlere çok yüksek akıma ihtiyaç duyulmaktadır.
CLIC Güç Kaynağı CLIC te en önde gelen işlemlerden birisi akım arttırma işlemidir.
Sürücü Demet Linac damping slot SiC Süper iletken yapıya benzer olarak CLIC test laboratuarında tam yüklemeli RF sistemi gerçekleştirilebilmiştir. RF gücü %95 oranında demete aktarılabilir.(176 tane hızlandırma yapısı )
Power Extraction and Transfer Structure (PETS) Yüksek frekansta RF dalgaları sürücü demette hızlandırılıp delay loop ve combiner ring de akımı arttırılan demet yavaşlatıcı yapı içersine sokulur. Yüksek enerjili yüklü parçacıklar kendilerine etki yapıldığında enerjilerini EM radyasyon olarak bırakır Yavaşlatıcının geometrik yapısı 30 GHz de RF dalgaları elde etmek için tasarlanmıştır.
CLIC Ana Linac Neden yüksek freakans? Oyuk ebatları : V ~ f 3 Yüksek frekanstan dolayı oyukların ebatı çok küçük. Hücre uzunluğu 1,66 mm İris çapı 2.06 mm Slac 12 GHz yapısı
CLIC Ana Parametreleri Parameter Symbol CLIC 1 TeV CLIC 3 TeV CLIC 0.5 TeV Unit Center of mass energy E cm 1000 3000 500 GeV Main Linac RF Frequency f RF 12 12 12 GHz Luminosity L 2.25 5.9 2.24 10 34 cm -2 s -1 Luminosity (in 1% of energy) L 99% 1.08 2 1.36 10 34 cm -2 s -1 Linac repetition rate f rep 50 50 100 Hz No. of particles / bunch N b 3.72 3.72 3.72 10 9 No. of bunches / pulse k b 312 312 312 No. of drive beam sectors / linac N unit 8 24 4 - Overall two linac length l linac 13.9 41.7 6.9 km Proposed site length l tot 20.1 47.9 13.2 km DB Pulse length (total train) τ t 46 139 23 μs Beam power / beam P b 4.6 14 4.6 MW Wall-plug power to beam efficiency η wp-rf 6.1 8.7 6.1 % Total site AC power P tot ~150 322 ~150 MW
CLIC Ana Parametreleri Parameter Symbol CLIC 1 TeV CLIC 3 TeV CLIC 0.5 TeV Transverse horizontal emittance γε x 660 660 660 nm rad Transverse vertical emittance γε y 20 20 20 nm rad Nominal horizontal IP beta function β * x 20 4 15 mm Nominal vertical IP beta function β * y 0.1 0.09 0.1 mm Horizontal IP beam size before pinch σ * x 40 142 nm Vertical IP beam size before pinch σ * y 1 2 nm Beamstrahlung energy loss δ B 11 29 7 % No. of photons / electron n γ 1.2 2.2 1.1 - No. of pairs (p T min =20MeV/c, Î min =0.2) N pairs 17.1 45 11.5 - No. of coherent pairs N coh 0.07 38 0.0001 10 7 No. of incoherent pairs N incoh 0.09 0.44 0.05 10 5 Hadronic events / crossing N hadron 0.29 3.23 0.1 Unit
CTF2-CTF3 Amacı CLIC teknolojisinin test etmek