Energiåtervinning linac

En energiåtervinningslinac (ERL) tillhandahåller en stråle av elektroner som används för att producera röntgenstrålar genom synkrotronstrålning . Första idén föreslogs 1965 och fick intresse sedan början av 2000-talet.

Spektral utstrålning

Användbarheten av en röntgenstråle för vetenskapliga experiment beror på strålens spektrala strålning , som talar om hur mycket kraft av en given våglängd som är koncentrerad på en plats. Den mesta vetenskapliga litteraturen om röntgenkällor använder en närbesläktad term som kallas briljans , som räknar hastigheten av fotoner som produceras, snarare än deras kraft. En fotons energi är omvänt proportionell mot fotonens våglängd.

Mycket hög effekt uppnås vanligtvis genom att leverera energin i korta pulser, vilket gör att apparaten kan arbeta inom rimliga effektkrav och kylningsgränser. Beroende på pulslängden och repetitionshastigheten kommer den genomsnittliga spektrala strålningen att vara mycket lägre än den maximala spektrala strålningen. Den maximala spektrala strålningen och den genomsnittliga spektrala strålningen är båda viktiga egenskaper hos en röntgenstråle. För vissa experiment är toppvärdet viktigast, men för andra experiment är medelvärdet viktigast.

Som en synkrotronljuskälla faller prestandan hos en energiåtervinningslinac mellan en lagringsring och en frielektronlaser (FEL). Energiåtervinningslinacs har höga repetitionshastigheter och därför hög genomsnittlig spektral radians, men lägre toppspektral radians än en FEL.

Mekanism

Medan man använder en recirkulerande laddad partikelstråle med ett magnetgitter som liknar det hos en lagringsring , färdas varje partikel genom den recirkulerande bågen innan den bromsas in i en linac struktur. Samma linac-struktur accelererar också nya lågenergipartiklar som kontinuerligt injiceras i linacen. Sålunda, istället för att återvinna partikelstrålen kontinuerligt, medan dess emittans ökar med synkrotronstrålningsemission , återvinns endast dess kinetiska energi, vilket möjliggör en lågstråleemittans samtidigt som höga repetitionshastigheter bibehålls jämförbara med synkrotroner .

1. Laddade partiklar (vanligtvis elektroner) injiceras i en linjäraccelerator (linac), där partiklarna accelereras av ett radiofrekvensfält (RF).
2. Strålen av accelererade partiklar lämnar linacen och passerar genom en serie magneter som leder strålen tillbaka till början av linacen.
3. Längden på strålbanan är sådan att de återkommande partiklarna är ca 180 grader ur fas med partiklar som accelereras av linacen.
4. Fasskillnaden gör att de återkommande partiklarna bromsas upp, medan nyinjicerade partiklar accelereras. Den kinetiska energin hos de retarderade partiklarna ökar intensiteten på RF-fältet, som används av partiklarna som accelereras.

Energiåtervinning Linacs runt om i världen

Brookhaven National Laboratory

BNL-ERL är inriktat på 500mA vid 20MeV. Den är nu under driftsättning på Collider Accelerator Department vid Brookhaven National Laboratory. En av huvuddragen i denna ERL är en supraledande laserfotokatod RF-pistol som drivs av en 1MW CW klystron och utrustad med ett lastlåssystem för införande av fotokatoder med hög kvanteffektivitet. Denna ERF-pistol kommer att ge hög ljusstyrka elektronstrålar med en aldrig tidigare skådad medeleffekt. Målet med denna ERL är att fungera som en plattform för FoU till högaktuell ERL. I synnerhet frågor om halogenerering och kontroll, problem med högre ordningsläge, koherenta emissioner för strålen och hög ljusstyrka, strålgenerering och bevarande av hög effekt. Efter att den är klar planerar vi att använda den för olika tillämpningar, såsom generering av THz-strålning och högeffektsröntgenstrålar genom compton-spridning av laserljus från elektronstrålen.

Cornell University

Cornell University, i samarbete med Brookhaven National Laboratory, håller på att konstruera CBETA, en ERL byggd med FFAG- optik och supraledande RF- kaviteter, inriktad på upp till 100 mA CW elektronstråle vid upp till 150 MeV, som en del av ett forskningsprogram för en framtida elektron-jonkolliderare .

Ett projekt för att förbättra CERN:s LHC till ett LHeC

En nyligen genomförd studie föreslår att man förbättrar CERNs Large Hadron Collider ( LHC ), den största acceleratorn som finns för närvarande (2013), genom att lägga till den stora lagringsringen av LHC en tangentiell konstruktion av två elektronenergiåtervinningslinacs, vardera på 1008 m. längd, vilket ger möjligheten att erhålla inte bara Hadron-Hadron-krossar utan även t.ex. Hadron-Electron sådana, och därmed förbättra LHC till någon form av " LHeC " .

För detta förslag, som härrörde från en speciell kommitté av CERN-fysiker, fick M. Klein (Liverpool-universitetet), på förslag från Storbritanniens Institute of Physics , 2013 års ömsesidiga Max Born-pris från de brittiska och tyska fysikaliska föreningarna .

Se även

• ALICE (accelerator) , Energy Recovery Linac Prototype, vid Daresbury Laboratory i Cheshire, England