PITZ: Technische Fragen bei Erzeugung, Manipulation und Nachweis des Elektronenstrahles

Transkript

1 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Titel 1 PITZ: Technische Fragen bei Erzeugung, Manipulation und Nachweis des Elektronenstrahles 1. Einleitung Inhalt 2. Der Photoinjektor 3. Fokussierung und Ablenkung 4. Nachweismethoden 5. Ausblick

2 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Einleitung 2 1 Einleitung Detektor Quelle Beschleuniger Ablenkung Kollision Gluhkathode Anode e e e e Vakuum im Glaskolben Photonen = Licht elektrisches Feld + magnetisches Feld Fernseher: Physik am DESY: 20 kev = ev 1 GeV = ev Die Lorentz-Kraft: ~F L = q( E ~ + ~v B) ~ (1) Was ist die Emittanz? (Strahlgröße) (Winkeldivergenz) (2)

3 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Einleitung 3 Zukunftsprojekt TESLA e + e ; -Linearbeschleuniger FEL (Freie-Elektronen-Laser) ) Elektronenquelle mit kleinster Emittanz notwendig!

4 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Einleitung 4 Zukunftsprojekt TESLA-FEL

5 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Der Photoinjektor 5 2 Der Photoinjektor Photoinjektor-Teststand in Zeuthen (PITZ) ) Elektronenquelle für FEL und TESLA 1. UV-Laserlicht (Wellenlänge ca. 263 nm) 2. Photokathode (Produktion von Elektronen durch Photoeffekt) 3. Hohlraumresonator (Kavität) mit hochfrequentem el.magn.feld (RF) und Fokussierungsmagneten (Solenoiden) 4. Fokussierungsmagnete (Quadrupol-Triplett) und Ablenkmagnet (Dipol)

6 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Der Photoinjektor 6 RF Gun for the TTF FEL waveguide bucking coil door knob photo cathode coaxial coupler main solenoid

7 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Der Photoinjektor 7 Betriebsparameter des Photoinjektors Beschleunigte Teilchen Elektronen Energie der Teilchen 5 MeV bzw MeV Mittlerer Strom maximal 75A Maximale mittlere Strahlleistung während des Betriebes bis 3,0 kw Betriebsparameter des Klystrons Gepulste Hochfrequenzleistung ca. 10 MW Beschleunigungsspannung ca. 117 kv Kathodenstrom ca. 139 A Pulsdauer bis ca. 800 s Wiederholfrequenz bis 10 Hz Maximale mittlere Strahlleistung während des Betriebes 80,0 kw Parameter des Lasers Klasse Wellenlänge ca. Energie pro Mikropuls ca. Wiederholfrequenz des Mikropulses bis Länge des Makropulszuges bis ca. Wiederholfrequenz des Makropulszuges bis Mittlere Leistung bis ca. 3B 263 nm 20 J 9 MHz 800 s 10 Hz 1,6 J/s

8 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Der Photoinjektor 8 Die RF-Gun Zeitpunkt t o : Laserein kopplung HF Einkopplung E Kathodensystem Strahlrohr Kavitat Hauptmagnet Kompensatormagnet Ea Amplitude der elektrischen Feldstarke entlang der Strahlachse Strahlachse Position der Kathode

9 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Der Photoinjektor 9 Die RF-Gun Zeitpunkt t 1 : Laserein kopplung HF Einkopplung Kathodensystem Strahlrohr Kavitat Hauptmagnet Kompensatormagnet Ea Amplitude der elektrischen Feldstarke entlang der Strahlachse Strahlachse Position der Kathode

10 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Der Photoinjektor 10 Die RF-Gun Zeitpunkt t 2 : Laserein kopplung HF Einkopplung E Kathodensystem Strahlrohr Kavitat Hauptmagnet Kompensatormagnet Ea Amplitude der elektrischen Feldstarke entlang der Strahlachse Strahlachse Position der Kathode

11 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Der Photoinjektor 11 Warum Beschleunigung an der Photokathode? Raumladungs Kraft => gleichnamig gel. Teilchen stossen sich ab! 2 Teilchen: v Fc + Coulomb + Coulomb Abstossung v 0 Fm Magn.Anziehung total B=v/c 1 magnetic Raumladungskräfte sind zu kompensieren! ) Teilchen so schnell wie möglich auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen! Energie in MeV Position entlang der Strahlachse in Meter

12 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Fokussierung und Ablenkung 12 3 Fokussierung und Ablenkung Fokussierung und Ablenkung durch die Magnetkraft Solenoid (radiale Fokussierung): ~F M = q ~v ~ B (3) Magnetfeldlinien ideale Teilchenbahn Strom Dipolmagnet (Ablenkung): S N Stromdichte Quadrupolmagnet (Fokussierung in einer Ebene): N S S N

13 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Fokussierung und Ablenkung 13 Solenoide Warum Fokussierung? Strahl driftet ohne Fokussierung auseinander! Vert.Strahlgrosse in mm Solenoide aus Solenoide ein Position entlang der Strahlachse in Meter

14 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Fokussierung und Ablenkung 14 Solenoide Bz in Tesla Richtung des Elektronenstrahls Simulation Messung Strom des Hauptmagneten: 300A Strom des Kompensators: 150A Kathode bei z=0 Position in mm entlang der z-achse Laserein kopplung HF Einkopplung Kathodensystem Strahlrohr Kavitat Hauptmagnet Kompensatormagnet

15 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Fokussierung und Ablenkung 15 Dipol Magnetic Rigidity: ~F L = evb = mv2 (4) B = mv e = p (5) e Dipole: Effekt eines homogenen Dipol-Feldes der Länge L und der Feldstärke B ) Der Strahl wird um einen Winkel abgelenkt: sin 2 = L 2 = 1 2 = LB (B) LB (B) (6) (7) N S

16 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Fokussierung und Ablenkung 16 Quadrupol Quadrupol-Magnete: 4 symmetrisch arrangierte Pole, die den Strahl umgeben: Fokussierung in einer Richtung, Defokussierung in der anderen. y N S x S N

17 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Nachweismethoden 17 4 Nachweismethoden Nachweismethoden ) Diagnose-Sektion Schirm ) YAG Pulver, OTR (Optical Transition Radiation) ) Größe des Strahlflecks EMSY (Emittance Measurtement System) ) Emittanz 1. Pepper Pot 2. Single-Slit 3. Multi-Slit Streak-Kamera mit Cherenkov-Strahler Faraday Cup Dipol mit Schirm

18 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Nachweismethoden 18 EMSY Emittance Measurement System: Messung der Emittanz mit Pepper Pot, Multi Slit und Single Slit. a) Pepper Pot b) Multi Slit c) Single Slit ) Messung der Strahlprofile i j. R d y slits Cross j flag Cross k z OTR beamline length L i = ij ik L j k camera system 8 >< >: : const: i j : StrahlgrößeR ik : Breite d i : x y j : cross j, (Strahlgröße) (Winkeldivergenz) k : cross k. [ i ] : m = mmmrad (8)

19 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Nachweismethoden 19 Faraday Cup Messung der Ladung: Collector Faraday Cup beam beam +

20 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Nachweismethoden 20 OTR Optical Transition Radiation) Messung des Strahlflecks: OTR Screen particle 2 OTR Int. + 1 E (9)

21 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Nachweismethoden 21 Streak-Kamera Bunch Length Measurements ) Messung der Länge des Elektronenpaketes: Streak Kamera Aerogel Strahl Spiegel e ;! Cherenkov-Licht

22 I. Bohnet im TECHNICAL SEMINAR Ausblick 22 5 Ausblick Aspekte zur Erzeugung, Manipulation und Nachweis des Elektronenstrahles ) weitere Vorträge: das Klystron und die Hochfrequenz (R.Wenndorff, ) der Laser (J.Baehr, ) PITZ - Status (F.Stephan, voraussichtlich )