Μελέτη διάταξης φωτοεγχυτή για επιταχυντή υψηλής ενέργειας Ακτίνων-Χ Ελεύθερων Ηλεκτρονίων της Συνεργασίας CompactLight / Photoinjector study of a novel XFEL in the CompactLight Collaboration

Abstract

Το H2020 CompactLight Project είναι ένα διεθνες έργο 24 ινστιτούτων (21 Ευρωπαϊκά και 3 εκτός Ευρώπης) με σκοπό τη σχεδίαση μίας συμπαγούς επιταχυντικής διάταξης, νέας γενιάς, επιταχυντή υψηλής ενέργειας Ακτίνων-Χ Ελεύθερων Ηλεκτρονίων (hard X-Rays Free-Electron Lasers-FEL). Οι εν λειτουργία επιταχυντές Χ-FEL στην Ευρώπη χρησιμοποιούν επιταχυντικές διατάξεις στο φάσμα συχνοτήτων 2-4 GHz ( S-band) . Σκοπός του έργου είναι να παραδοθεί μία καινοτόμος και συμπαγής σχεδίαση ενός επιταχυντή υψηλής ενέργειας Ακτίνων-Χ Ελεύθερων Ηλεκτρονίων, χαμηλότερης ενεργειακής κατανάλωσης και χαμηλότερης ενέργειας δέσμης. Η σχεδίαση βασίζεται σε επιταχυντικές διατάξεις υψηλής βαθμίδας (100 MV/m) μέχρι τις συχνότητες X-band (12GHz), σε υπεραγώγιμο ή μη undulator (μονάδα κυματισμού της δέσμης για την εκπομπή ακτίνων X) μικρής περιόδου, και photoinjector (Φωτοεγχυτής: μονάδα παραγωγής δέσμης ηλεκτρονίων από φωτοκάθοδο και εισαγωγή στον επιταχυντή) υψηλής φωτεινότητας. Η ποιότητα της δέσμης ηλεκτρονίων στον γραμμικό επιταχυντή είναι καίριας σημασίας για την τελική επίδοση του X-FEL, εξαρτώμενη από πληθώρα παραμέτρων. Μια καλής ποιότητας δέσμη έχει μικρή εκπεμψιμότητα (emittance), υψηλή φωτεινότητα και τη δυνατότητα υψηλού ρυθμού επανάληψης. Τα υλικά από τα οποία εξάγονται τα ηλεκτρόνια, όταν φωτίζονται απο δέσμη laser, μπορεί να είναι είτε μέταλλα είτε ημιαγωγοί. Μελετήθηκαν ως υποψήφιες φωτοκάθοδοι ο Χαλκός και το Καίσιο-Τελλούριο. Για το σχεδιασμό του Φωτοεγχυτή, προτάθηκαν διάφορες διατάξεις συμπεριλαμβανομένων διατάξεων στις συχνότητες S-band, C-band and X-band. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκαν συνολικές διατάξεις παραγωγής και προεπιτάχυνσης ηλεκτρονίων (Electron-Gun) που περιέχουν τρεις διαφορετικές δομές με υλικό συμβατικής αγωγιμότητας. Οι δομές αυτές διέφεραν ως προς τη σύνθεση της μικροκυματικής κοιλότητας (RF cavity) με δομή 1.5 κελιών (S-band), με 2.5 κελιών (S-band) και με 4.6 κελιών (X-band). Η διπλωματική εργασία απαρτίζεται από τρία μέρη, το πρώτο αποτελείται από τον προσδιορισμό των κατάλληλων παραμέτρων για την προσομοίωση των φωτοκαθόδων. Το δεύτερο μέρος πραγματεύεται την εφαρμογή διάφορων αρχών της δυναμικής της δέσμης στις διατάξεις προσομοίωσης, καθώς και τη σύγκριση της επίδοσης των δύο προαναφερθέντων υλικών των φωτοκαθόδων σε όλες τις δομές. Για τις προσομοιώσεις χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα ASTRA, που υλοποιεί έναν αλγόριθμο ανίχνευσης χωρικού φορτίου. Το τρίτο και τελευταίο μέρος ασχολείται με τη βελτιστοποίηση δύο από τους πιθανούς Φωτοεγχυτές, ένα για το φάσμα S-band με 1.5 κελιά και έναν για το φάσμα X-band με 4.6 κελιά, τροφοδοτούμενα από δέσμη παραγόμενη από φωτοκάθοδο με Χαλκό. Η διαδικασία βελτιστοποίησης περιείχε ένα κομμάτι χειροκίνητης βελτιστοποίησης και ένα κομμάτι αλγοριθμικής βελτιστοποίησης με χρήση γενετικού αλγορίθμου, υλοποιημένου στο πρόγραμμα GIOTTO. Πρόκειται για ένα πρόγραμμα βελτιστοποίησης επιταχυντικών διατάξεων που συνάδει με το πρόγραμμα ASTRA. Εν κατακλείδι, το τελευταίο μέρος, παραθέτει τη σύγκριση των αποτελεσμάτων της βελτιστοποιημένης διάταξης συναρτήσει της φωτοκάθοδου από Καίσιο-Τελλούριο. Τελικός στόχος, η παρουσίαση των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων κάθε είδους φωτοκαθόδου με βάση τα αποτελέσματα προσομοίωσής των χαρακτηριστικών της τελικής δέσμης στις διάφορες διατάξεις και η εξέταση των ορίων βελτιστοποίησής τους.