Pública

El desarrollo de estructuras de aceleración robustas es crítico para los futuros aceleradores de alta energía. El concepto de usar estructuras cargadas con dieléctricos como estructuras de aceleración ha estado presente durante muchos años, y en particular, ha habido una serie de propuestas para usar estructuras cargadas con dieléctricos como aceleradores de campo de estela colineales. Recientemente, también ha habido propuestas para usar estructuras dieléctricas como dispositivos de extracción de potencia para la generación de rf de alta frecuencia. La simplicidad de este método, así como la relativa facilidad con la que se pueden amortiguar los modos de orden superior parásitos en comparación con las estructuras convencionales que operan a frecuencias comparables, hace que esta tecnología sea una opción atractiva para futuros colisionadores lineales de alta energía.

Aunque hemos probado con éxito el concepto del transformador elevador utilizando el método de aceleración de dos haces, todavía hay algunos experimentos detallados por realizar. A corto plazo, mapearemos en detalle el campo acelerador ajustando el retraso de pulso entre los haces de impulsión y de testigo en pequeños incrementos y observando el cambio en la energía del haz de testigo. Luego usaremos el haz de impulsión múltiple para aumentar la distancia de aceleración de 3 cm a 12 cm usando 4 pulsos de impulsión.

El factor limitante para acceder a gradientes de aceleración más altos son las propiedades del haz de impulsión, en particular que el haz de impulsión actual tiene una emisión relativamente alta y una longitud de paquete más larga. Otro factor limitante es el número de paquetes de impulsión producidos debido a la eficiencia cuántica del fotocátodo. Hay un gran esfuerzo en curso para mejorar las propiedades del haz de impulsión mediante la construcción de un cañón de impulsión de tercera generación. El nuevo cañón es un cañón fotocátodo de RF de 1 ½ celda con un campo eléctrico axial de 80 –100 MV/m. Basado en simulaciones de PARMELA, producirá una emisión mucho menor (por un factor de 20) y haces más cortos (3 – 4ps) para intensidades de 40 – 100 nC.

Otra mejora vendrá de las actualizaciones del vacío operativo y del cátodo. Tenemos la intención de reemplazar el cátodo de Mg actual con un cátodo de tipo CsTe de alta QE. Basado en el sistema láser AWA actualmente disponible (5 mJ, 4ps @ 248 nm), podríamos producir una secuencia de pulsos de hasta 4 pulsos con 100 nC cada uno. Utilizando esta secuencia de pulsos, podríamos alcanzar fácilmente un gradiente de aceleración de 100 MV/m utilizando las mismas estructuras de aceleración de dos haces (transformador elevador) usadas en este experimento. Este cañón también produciría hasta 64 pulsos con 40 nC cada uno. Utilizando el mismo transformador elevador, no solo alcanzaríamos 100 MV/m, sino que también podríamos acelerar el haz a 100 MeV en menos de un metro. Esto equivale a alimentar el tubo de la segunda etapa con una fuente de energía RF externa de 500 MW con una longitud de pulso de 50 ns. El nuevo cañón de electrones está instalado y actualmente bajo acondicionamiento de alta potencia.

Otro tema importante para el desarrollo del colisionador lineal son las fuentes de RF. Usar tecnología basada en dieléctricos impulsada por trenes de pulsos para la extracción de RF directamente de un haz de electrones relativistas agrupados tiene ventajas significativas, ya que la frecuencia de la radiación depende únicamente de la geometría del dispositivo dieléctrico. La frecuencia de la fuente de RF puede sintonizarse fácilmente a un armónico de la frecuencia de RF del linac con cierto rango de ajuste (ajustando el espaciado del láser para la pistola de fotocátodo de RF). De hecho, a frecuencias muy altas, se puede considerar como una fuente de RF continua.

Esta potencia de RF se transfiere directamente a un segundo tubo dieléctrico con una constante dieléctrica mucho mayor, comprimiendo el pulso y, por lo tanto, mejorando el campo de aceleración. Este esquema también se llama transformador elevador; el uso de trayectorias de haz separadas permite lograr relaciones de transformador > 2. Al usar un haz de conducción múltiple, también se puede lograr una distancia de aceleración más larga, obteniendo así un gradiente más alto y aceleraciones sostenidas que los esquemas colineales.

Este artículo presenta una nueva topología de unidad rectificadora de auto-transformador de múltiples impulsos con capacidad de elevación y reducción de tensión (ATRU por sus siglas en inglés). Esta estructura puede lograr una amplia gama de voltajes de salida, lo cual resuelve el problema de que sea difícil regular el voltaje de salida del auto-transformador. Agregando tomas intermedias al devanado primario y estableciendo razonablemente el número de devanados del auto-transformador, se constituyeron dos grupos de voltajes de salida trifásicos con una diferencia de fase de 30°. Se obtiene un voltaje de salida de CC de múltiples impulsos después de un voltaje de salida trifásico a través de dos puentes rectificadores y un reactor inter-fase. Así, el voltaje de salida de CC está relacionado con el número y la configuración del devanado del auto-transformador. En este artículo, se deducen y validan mediante simulaciones la relación entre la razón de voltaje del auto-transformador y la razón de devanado, la corriente de entrada y la calificación de kilovoltamperios del auto-transformador. Sobre esta base, se optimiza el rango de voltaje de salida. Se llevó a cabo un experimento en dos prototipos de principio de relación de voltaje diferente para verificar la corrección del diseño del análisis.

En este artículo, informamos sobre los resultados experimentales de prueba de principio en el experimento de aceleración de dos haces cargados dieléctricamente. En el último año, hemos completado una actualización del Acelerador de Onda de Choque de Argonne con una línea de haz testigo paralela con un espectrómetro magnético para la medición de energía del haz testigo. La energía típica del haz testigo es de aproximadamente 3.5 MeV con una carga de 0.5 nC.

Se ha realizado un progreso considerable hacia una demostración del concepto de acelerador de dos haces cargado dieléctricamente. Un experimento de prueba de principio aclaró los problemas de física e ingeniería asociados, como el acoplamiento de RF y la aceleración en el modo de aceleración correcto. Con el nuevo cañón de electrones AWA, extenderemos aún más este experimento utilizando el tren de pulsos de alta corriente para proporcionar un gradiente de > 100 MV/m a lo largo de una distancia de aceleración de 1 metro.