IONTOVÉ ZDROJE Účel • vyrobit svazek částic • vytvarovat ho a dopravit do urychlovací komory • předurychlit ho (10 keV)
Požadavky • • • • •
intenzita svazku malá emitance svazku trvanlivost zdroje stabilita zdroje minimální spotřeba plynu – nenarušení vakuového systému (u plynových zdrojů)
Elektronové zdroje Jako u elektronek – povrch žhavené katody Alternativy: • vysoké pole – tunelový jev • fotoemise (laser) Vysoká teplota zvyšuje proud, ale snižuje životnost Tok: A Divergence: 5-10 stupňů
Iontové zdroje Princip: ionizace srážkami nebo plazmovým výbojem
Urychlovače přednáška č. 10
Zdeněk Doležal
1
Plazma – směs neutrálních atomů, iontů a elektronů energie několikrát větší než ionizační potenciál, kvůli účinnosti
Urychlovače přednáška č. 10
Zdeněk Doležal
2
Obrázek 1 Princip iontového zdroje
Ionizace vodíku: Mnoho konkurenčních procesů
Vícenásobně nabité ionty Single-step: malá pravděpodobnost Multi-step – zdlouhavá, ale jediná schůdná cesta
Urychlovače přednáška č. 10
Zdeněk Doležal
3
Penningův zdroj ionizace srážkami, magnetické pole, magnetron Plazma
Unoplazmatron, duoplazmatron střední elektroda zvyšuje hustotu plazmatu Střední elektroda
anoda
katoda
Obrázek 2 Duoplazmatron
EBIS (Electron Beam Ion Source) katoda
použití el. svazku k ionizaci
Urychlovače přednáška č. 10
Zdeněk Doležal
4
ECRIS (Electron Cyclotron Resonance Ion Source) generování VF blízké elektronové cyklotronové frekvenci (ω = 2,8 GHz/kG)
Zdroje záporných iontů využití: tandemové urychlovače (přenábojování) problém: vedení aniontů konkurují elektrony povrch potažen cesiem
Urychlovače přednáška č. 10
Zdeněk Doležal
5
SUPRAVODIVOST V URYCHLOVAČÍCH Princip: elektrická vodivost klesá skokem při přechodu kritickou teplotou Pozor: to platí pro stejnosměrný proud Pro střídavý proud: postupné snižování vodivosti Aplikace v urychlovačích: SS: magnety (ISR 70. léta) VF: rezonátory (TRISTAN KEK, 80. léta)
Illustration 1Termodynamické kritické pole (míra supravodivosti) pro různé materiály
Obrázek 3Povrchová vodivost Nb pro různé frekvence
Urychlovače přednáška č. 10
Zdeněk Doležal
6
MAGNETY
Obrázek 4 Tvary vinutí pro různé magnety
Přínosy • vyšší dosažitelné pole (3-5x) – LHC: 10 T • snížení poloměru • zvýšení realizovatelnosti (SSC bez SC magnetů by měl obvod 230 km) • nižší spotřeba energie (LHC má 25x větší energii než SPS, ale stejný příkon)
Nevýhody • obtížné dosažení přesnosti rozložení mg. polí • celý systém v nízké teplotě, chlazení, ochrana před přechodem
Specifické jevy: přetrvávající proudy (persistent) – pole i bez budících proudů přechod – quench: SC--> NC, náhlé uvolnění akumulované energie měrné teplo o několik řádů menší, stačí malé přehřátí
Kryostat • • • • • • •
T~1,8 K Tank v kryostatu s kapalným heliem Struktura: vakuová nádoba (ocel) tepelná izolace (70 K) tepelná izolace (5-10 K) mechanická podpora (1 t/m) Urychlovače přednáška č. 10
Zdeněk Doležal
7
• potrubí na kryogenní kapaliny • vakuový systém
Urychlovače přednáška č. 10
Zdeněk Doležal
8
Obrázek 5 Supravodivé kabely použité v urychlovači HERA
Obrázek 6 Průřez dipólem pro LHC
Urychlovače přednáška č. 10
Zdeněk Doležal
9
REZONÁTORY Účinnost η acc =
Pb
P mains
NC: 5-10 % SC: 50 % Materiál Pb Nb Nb3Sn
kritická teplota (K) 7,2 9,2 18,2
urych. gradient (MV/m) 26 60 100
Využití Všechny HE JF: CEBAF, Newport News, Virginie
Urychlovače přednáška č. 10
Zdeněk Doležal
10
VAKUUM Kategorizace Kategorie Nízké Střední Vysoké velmi vysoké Ultravysoké Extrémně ultravysoké
Zkratka LV MV HV VHV UHV XHV
minimální tlak (Pa) 3×103 10-1 10-4 10-7 10-10 ≤ 10-10
VÝVĚVY 1. Transportní a. Mechanické i. rotační olejové ii. vodní b. s přenosem impulsu i. difúzní ii. turbomolekulární c. ionizační s elektrostatickým polem 2. Sorpční a. ionizační s elektrickým i magnetickým polem b. založené na vazbě plynů na stěnách i. kryokondenzační ii. kryosorpční iii. sublimační getrové (sublimace titanu) iv. iontové chemisorpční
MĚŘENÍ NÍZKÝCH TLAKŮ Měření nepřímé: pomocí jiných veličin: 1. Síla a. Pístové, diafragmové, piezoodporové 2. hydrostatický tlak 3. viskozita (odpor kyvadla, oscilátoru) 4. měrná tepelná vodivost (Pirani 1906) 5. interakce elektronů a plynu 6. ionizace (Penning)
Urychlovače přednáška č. 10
Zdeněk Doležal
11
Urychlovače přednáška č. 10
Zdeněk Doležal
12
