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Informações sobre o cálculo de dimensões e características de cavidades em aceleradores de partículas, incluindo o cálculo do comprimento de cavidade, diâmetro da iris, potências dissipadas e velocidades de fase. O texto também discute a escolha das dimensões das cavidades para que o campo acelerador esteja em sincronismo com a partícula.
Tipologia: Notas de aula
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Preparada pelo Service de Biblioteca e I o instituto de Física dn 'Jni vet r.ici-tde de Sñc Paulo
frunce, Marcou Antonio Contribuição no estudo do estruturas ace- lcia«ímas de elétrons t respectivos acoplado r-cs dt- radiofreqüência. Sãt Paulo, 1991. Dissertação (Mcsl.rndo) - l mi ve. rs idade de Sao Paulo, Instituto de Física. Departamento de Física Kxporfme.nt.al. Área de (Toneontração: Física Nuclear Orientador: Prof. Dr. Silvio Bruni Uni termos: l. Elétrons; ?. Acelerador 11- n;i-; 3. E."i.r ui 'ii .i ;v. < 1 c r.iJorn; 4. Acoplador de radiofreqüência.
USP/IF/SBT - 15/
Neste trabalho são apresentados os resultados experimentais referentes à construção e à ava- liação de uma estrutura aceleradora a gradiente constante e dos acopladores de radiofreqüência.
São apresentados os fundamentos teóricos para a determinação das dimensões iniciais da estrutura aceleradora carregada a íris. As dimensões finais foram determinadas experimen- talmente utilizando-se quatro secções de três cavidades representando a 4a^ , 12", 20a^ e 27a cavidades da estrutura final. As correções nos diâmetros das cavidades, devido às variações de temperatura, pressão e umidade relativa do ar, são determinadas.
Um protótipo de estrutura de doze cavidades a gradiente constante e vp = c foi construído e seus principais parâmetros foram determinados experimentalmente, de acordo com os métodos aqui descritos.
Dois protótipos de acopladores de radiofreqüência do tipo "door-knob" foram construidos e os procedimentos experimentais para ajustar e sintonizar os acopladores e a estrutura acelera- dora foram desenvolvidos.
aplicações já em seu estágio inicial, previsto para uma energia de 30 McV.
0 estágio inicial do acelerador é o de maior dificuldade pois consta de: canhão de elétrons, pré-agrupador de feixe, estrutura agrupadora,estrutura aceleradora (banda L do tipo carregada a íris), sistemas de RF, vácuo, refrigeração, modulador da válvula klystron e sistemas de controle / 2 /. A princípio, as etapas subsequentes não apresentam grandes problemas conceituais a serem solucionados.
O acelerador, em seu estágio final, será composto de uma estrutura agrupadora e sete estruturas aceleradoras de aproximadamente 2 m cada uma, excitadas na freqüência de 1300 MHz, que serão alimentadas com a RF gerada por quatro válvulas klystron. Cada válvula gera 20 MW de potência de pico e 60 kW de potência média. Os elétrons deverão atingir uma energia de cerca de 136 MeV ("corrente nula"). Na Figura 1, é apresentado um desenho esquemático do prédio do acelerador (já construído), e a disposição das partes principais da máquina. No projeto original estão previstos vários tubos de tempo de vôo com diferentes comprimentos, saindo da sala de alvos situada na extremidade do acelerador.
A Figura 2 mostra as redes de microondas de baixa, média e alta potência, onde cada válvula klystron alimenta duas estruturas. A primeira válvula é também responsável pela alimentação do pré-agrupador de feixe, com cerca de 30 kW de potência de pico.
O desempenho teórico previsto para o acelerador com alta corrente de elétrons, pequena largura de pulso e alta taxa de repetição é descrito na Ref. 3. As Figuras 3 e 4 apresentam os valores teóricos para a energia e potência média do feixe para pulsos estreitos (< 100ns), taxa de repetição de 800 pps e corrente de pico de até 20 A.
Com auxílio da Tabela 1 é possível comparar os parâmetros de projeto do acelerador do IEAv com aqueles de aceleradores de outros laboratórios (Harwell (Inglaterra), Argone e Oak Ridge (EUA)) cuja finalidade é a produção de neutrons /3-7/.
O capítulo 2 é dedicado à discussão dos aspectos relativos à construção da estrutura ace- leradora. Nesse capítulo são definidos os principais parâmetros geométricos, é apresentado o desenvolvimento para o cálculo teórico das dimensões e o método de fabricação é descrito. No cálculo teórico das dimensões da estrutura algumas aproximações foram assumidas, de modo que os valores precisos devem ser obtidos experimentalmente. Os resultados experimentais e as correções para as condições de temperatura, umidade relativa e pressão são apresentados.
Tabela .1:
Energia a "corrente nula"(A/eV) Freqüência (MHz) Modo de operação N° de estruturas / comprimento (m) Fator de qualidade (Qo) Impedância shunt (Mil/m) Parâmetro de atenuação (nepers) Corrente de pico máxima (A) Largura de pulso (ns) Taxa de repetição (pps)
T / 2 8(«2,0)
38 0, 11, 5 2000
2*/ 4(«4,3)
35 0, 15, 24 1000
IEAV 136 1300 2x/ 8(« 2,0)
43 0, 10, 10 800
No capítulo 3 são definidos os parâmetros característicos e relevantes ao processo de ace- leração dos elétrons. São apresentados os fundamentos teóricos da técnica de perturbação apli- cada às cavidades ressonantes e deduzidas expressões que possibilitam a transformação teórica de um perfil do campo elétrico acelerador a onda estacionaria em um campo elétrico acelerador a onda progressiva.
Os resultados experimentais e as técnicas de medida dos parâmetros característicos da es- trutura aceleradora são apresentados no capítulo 4.
O capítulo 5 trata exclusivamente dos acopladores de radiofreqüência que serão conectados à estrutura aceleradora. Neste capítulo é definido o tipo de acoplador que será objeto de estudo, sâo descritos os vários métodos experimentais utilizados e é apresentado um procedimento capaz de ajustar e sintonizar os acopladores. As características do acoplador quanto a freqüência e a variação de seus parâmetros geométricos são mostradas. Finalmente, com os acopladores ajustados e sintonizados, é realizada a sintonia da estrutura aceleradora.
As conclusões e os comentários são apresentados no capítulo 6. No apêndice são deduzidas expressões para o cálculo teórico das constantes de calibração de objetos perturbadores.
MODULADOR
4 0 0 W (Pico) KLYSTRON TV2O22B 2 0 MW (Pico) I 6 0 kW (Mtfdio)
DIOÜCPIN r-j '. *
PARA A PRÓXIMA KLYSTRON TH 2437 150 mW( Pico) KLYSTRON T H 2 4 3 7 1,1 kW (Pico)
PARA A PRÓXIMA KLYSTRON TV2O22B
10 MW (Pico) 3 0 kW (Mdio)*
PARA A PRÓXIMA ESTRUTURA
hEDE DE BAIXA POTÊNCIA
REDE DE MEDIA POTENCIA
ESTRUTURA ACELERADORA
ACOPLADOR DE RF
i (^) REDE DE ALTA POTENCIA
J
I M h MULTIPLICADOR AMPLIFICADOR MONITOR DE POTENCIA CIRCULADCR
CARGA Ã ] ATENUADOR 0 1 DEFASADOR
FKJl'HA 2: Esqurviti inoshvmlo as ruíi.s ih wirrooiiilti* (Ir baixa, inrilid t tilla poluiria.
i
20 40 60 90 LARGURA DE PULSO ( i w )
KX)
FIGURA 3: Valores teóricos da energia média do feixe em função da largura de pulso, para alguns valores de corrente dt pico.
tu x s 5 •tal
i 100
i
5 10 CORRENTE OE PICO (A)
0
FIGURA 4: Valores teóricos da potência média do feixe em função da corrente de pico, para alguns valores de largura de pulso.
T C
0 to
«A
-f
"I
e
EZ
(estrutura a gradiente constante). Em uma secção do tipo impcdân :ia constante, o diâmetro dos anéis, 26, e das íris, 2a, são mantidos inalterados, enquanto qve, na secção a gradiente constante, 2a e 26 variam para manter o campo elétrico acelerador constante ao longo ro eixo.
Comparando-se estes dois tipos de estruturas aceleradoras, pode-se relacionar as seguintes vantagens da estrutura a gradiente constante sobre a de impedância constante / 8 / :
Uma desvantagem da estrutura a gradiente constante é que sua construção dispende mais tempo e trabalho e sua regulagem é mais complexa. Dessa forma, optou-se por construir, no IEAv, um acelerador com estruturas a onda progressiva e gradiente constante.
Os elétrons serão injetados com uma energia de aproximadamente 100 keV; este valor corres- ponde a elétrons com velocidade vt = 0,55c. Por isso, a primeira secção aceleradora (chamada secção agrupadora) deve ser contruída de modo que a velocidade de fase varie de vv = 0,55c até vp = c, e com uma configuração de campos que agrupe os elétrons evitando instabilidades de fase. Como a velocidade dos elétrons varia ao longo da secção agrupadora, o comprimento das cavidades (d) também varia, mantendo assim o sincronismo entre a onda progressiva e os elétrons. Quando a velocidade dos elétrons é ve = vp — c, todos os comprimentos d são mantidos inalterados; a esta parte da estrutura dá-se o nome de secção regular.
No acelerador do IEAv, a primeira estrutura aceleradora será composta de uma secção agrupadora com nove cavidades e uma secção regular com dezoito cavidades. Todas as outras estruturas aceleradoras serão do tipo regular, com 27 cavidades cada.
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