نوع مقاله : مقاله مروری

نویسندگان

1 پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، تهران

2 پژوهشکده فیزیک و شتابگرها - پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای- سازمان انرژی اتمی ایران

3 پژوهشکده فیزیک و شتابگرها- پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای- سازمان انرژی اتمی ایران

4 چشمه نور کانادا

5 پژوهشکده ذرات و شتابگرها- پژوهشگاه دانش‌های بنیادی

6 پژوهشکده کاربرد پرتوها- پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای- سازمان انرژی اتمی ایران

7 شرکت هومان صنعت

8 دانشگاه گلف کانادا

9 ای-اس-اس سوئد

10 سرن- سوئیس

11 پژوهشگاه دانش های بنیادی

12 دزی - هامبورگ آلمان

13 دانشکده فیزیک - دانشگا صنعتی اصفهان - اصفهان - اصفهان

14 دانشگاه شهید بهشتی تهران

15 دانشکده مهندسی هسته‌ای- دانشگاه شهید بهشتی - تهران -ایران

16 ای اس اس بیلبائو اسپانیا

چکیده


 در این مقاله کلیه مراحل مختلف طراحی و ساخت یک شتابگر خطی فرکانس رادیوئی موج رونده، به‌اجمال نوشته شده‌است. اجزاء اصلی این شتابدهنده عبارتند از تفنگ الکترونی، پیش خوشه‌ساز، خوشه‌ساز، کاواک اصلی شتابدهی، مجموعه تولید و انتقال توان بالای فرکانس رادیوئی، آهن‌رباهای هدایت و کانونی‌کننده، مجموعه سخت‌افزاری و نرم‌افزاری کنترل و پایش شتابدهند و بالاخره مجموعه تشخیص و اندازه‌گیری مشخصات باریکه. کلیه این اجزاء اصلی و همچنین قسمت‌های متعدد دیگر، با تکیه بر فناوری داخل کشور طراحی و ساخته‌شدند و برای کنترل کیفیت ساخت، اندازه‌گیری‌های مربوط انجام شده‌است. حاصل کار، ساخت یک شتابدهنده خطی موج رونده الکترون است با بیشینه انرژی 4.5MeV که کلیه پارامترهای آن قابل تنظیم و اندازه‌گیری هستند. این شتابدهنده، در ایران، ابزاری منحصر بفرد است برای آموزش علم شتابدهنده‌های ذرات و تحقیق وتوسعه تجربی در زمینه شتابدهنده‌های خطی الکترون و فیزیک باریکه.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Design and Construction of a Traveling Wave Electron Linear Accelerator at Institute for Research in Fundamental Sciences (IPM)

نویسندگان [English]

  • M Lamehi Rashti 1
  • Shahin Sanaye Hajari 2
  • Mahyar Shirshekan 3
  • Hamed Shaker 4
  • Farshad Ghasemi 3
  • Sasan Ahmadian Namin 5
  • Mitra Ansari 6
  • Mahdi Bahrami 7
  • Hadi Behnamian 8
  • Saeed Haghtalab 9
  • Mohammad Reza Khalvati 10
  • esmat Darvish Roknabadi 11
  • Hosein Delsim Hashemi 12
  • H Salamati 13
  • F Abbasi Davani 14
  • Samira Kasaei 5
  • Siamak Nazemi 15
  • Seadat Varnasseri 16
  • Mohammad Salehi 3

1 Nuclear Science and Technology research Institute Atomic Energy Organization of Iran

2 School of Physics and Accelerator, Institute for research in Nuclear Science and Technology, Atomic Energy Organization of Iran

3 School of physics and Accelerators, Nuclear Science and Technology Research Institute, Atomic Energy Organization of Iran

4 Canadian LightSource

5 Particles and Accelerators Department, Institute for Research in Fundamental Sciences

6 School of Radiation Applications,, Nuclear Science and Technology Research Institute, Atomic Energy Organization of Iran

7 Hooman Sanaat Company

8 University of Guelph Canada

9 European Spallation Source, ESS Sweden

10 CERN, , Swiss

11 Particles and Accelerators Department, Institute for Research in Fundamental Sciences

12 Desy, Hamburg, Deutchland

13 Physics Department, Esfahan University of Technology, Esfahan, IRAN

14 Shahid Beheshti University of Tehran

15 Nuclear Engineering Department, Shahid Beheshti University, Tehran, IRAN

16 ESS Bilbao Spain

چکیده [English]




In this paper, the design and construction process of a traveling wave electron linear accelerator is presented briefly. The machine consists of an electron gun followed by a prebuncher, a traveling wave buncher, an accelerating tube and the diagnostics instruments. Solenoid magnets provide the beam focusing. A klystron has been used as the RF power source. The linac components are controlled and monitored by a comprehensive control system. All the sub systems of this accelerator are designed and developed based on the domestic technology. The output beam has a maximum energy of 4.5 MeV. The beam parameters like energy, intensity, transverse size and emittance are measurable and tunable. The IPM Linac is a unique tool for experimental R&D in accelerator and beam physics in Iran.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Linear Accelerator
  • Cavity
  • Electron gun
  • Radio frequency
  • Accelerator Control
  • Beam characteristic
  • Shielding
  1. ۱] Prinzip einer Methode zur Herstellung von Kanalstrahlen hoher Voltzah , G. Ising, Arkiv för Matematik, Astronomi och Fysik, 18 (1924), 1–4.

    [۲] Über ein neues Prinzip zur Herstellung hoher Spannungen, R. Wideröe, Arch.für Elektrotechnik, 21 (1928), 387–406.

    [۳] The Production of Heavy High Speed Ions without the Use of High Voltages, D.H. Sloan and E.O. Lawrence, Phys. Rev. 38 (1931) 2021.

    [۴] The Theory of Disk Loaded Wave Guides, E. L. Chu and W. W. Hansen, Journal of Applied Physics 18, 996 (1947) and, Disk Loaded Wave Guides, E. L. Chu and W. W. Hansen, Journal of Applied Physics 20, 280 (1949).

    [۵] The Design of Linear Accelerator, J.C. Slater, Rev. of Modern Physics 20, 473 (1948)

    [۶] A Linear Electron Accelerator, E. L. Ginzton, W. W. Hansen, and W. R. Kennedy, Review of Scientific Instruments 19, 89 (1948).

    [۷]Stanford High Energy Linear Electron Accelerator (Mark III), M. Chodorow, E. L. Ginzton, W. W. Hansen, R. L. Kyhl, R. B. Neal et al.,  Rev. Sci. Instrum. 26, 134 (1955).

    ]8 [بررسی اهمیت و کاربرد شتاب‌دهنده‌ها در دنیای امروز، محمد لامعی رشتی؛ فرشاد قاسمی؛ سارا زارعی؛ حسین سیار؛ حامد آل‌ابراهیم؛ مهدی خسروانی؛ میترا انصاری؛ مرتضی یاحقی؛ امیرحسین میردامادی؛ شیماسادات مدنی، مجله پژوهش فیزیک ایران ، دوره 15، شماره 2، تابستان 1394، صفحه ۱۱۹-۱۲۸.

    [۹] Linear Accelerators. Pierre M. Lapostolle and Albert L. Septier, North-Holland Publ. Comp. Amsterdam, 1970.

    [۱۰] EPICS, Experimental Physics and Industrial Control System. https://epics.anl.gov

    [۱۱]LabVIEW.https:www.ni.com

    [۱۲]  A new type of rf electron accelerator: The Rhodotron. J. Pottier,  NIM B 40/41(pt.2), 943 (1989).

    [۱۳]  Technical status of the first industrial unit of the 10 MeV, 100 kW Rhodotron. D. Defrise, M. Abs, F. Genin, Y. Jongen, Rad. Phys. And Chem. 46(part1), 473 (1995).

    ]1۴[ طراحی و ساخت نخستین شتابدهندة پرقدرت صنعتی الکترون ساخت ایران. علی محمد پورصالح، حسین خلفی، سعید حاصل طلب، مجتبی مرتضوی، سیدخلیل موسوی، فرشاد قاسمی، کاظم جوکار، ابوالفضل جمهوری و محمد عاطفی، مجلة پژوهش فیزیک ایران، جلد۱۵، شمارة ۲ ،تابستان۱۳۹۴

    [۱۵] Design and Simulation of Prebuncher for S-Band Linear Accelerator. S. Zarei, F. Abbasi, F. Ghasemi, S. Ahmadiannamini, S.H. Shaker, Proceedings of IPAC2012, New Orleans, Louisiana, USA, TUPPR050

    [۱۶] Design and Construction of a Prebuncher for Iranian Low Energy Linear Accelerator. Sasan Ahmadiannamin†, Seyed Hamed Shaker, Mohammad Lamehi Rachti, Mehdi Bahrami, Mahyar Shirshekan, Mohammad Reza Khalvati, Proceedings of IPAC2017, Copenhagen, Denmark, TUPAB045

    [۱۷] CST Studio

    [۱۸] Design, construction and tuning of S-band coupler for institute for research in fundamental sciences electron linear accelerator (IPM E-linac), F.Ghasemi, F.Abbasi Davani M.Lamehi Rashti, H.Shaker, S.Ahmadiannamin, NIM A Vol772, 2015, p.52.

    ]1۹[ طراحی و ساخت تیوب اصلی شتاب‌دهنده خطی الکترون موج رونده و اندازه‌گیری پارامترهای آن، فرشاد قاسمی، رساله دکتری مهندسی هسته‌ای، دانشگاه شهید بهشتی، خرداد۱۳۹۴

    [۲۰] Poisson/Superfish, Los Alamos Accelerator Code Group, LA-UR-87-115, 1987

    [۲۱] CST Studio Suite 3D EM simulation and analysis software, ⟨http://www.cst.com⟩

    [۲۲] Ansoft high frequency structure simulation code, ⟨http://www.ansoft.com/hfss⟩

    ]23[ طراحی و ساخت کاواک شتابگر خطی الکترون، سیامک ناظمی، پایان‌نامه کارشناسی ارشد مهندسی هسته‌ای،  دانشگاه شهید بهشتی، شهریور ۱۳۸۷

    [۲۴] Investigation of using shrinking method in construction of Institute for Research in Fundamental Sciences Electron Linear Accelerator TW-tube (IPM TW-Linac tube) , F. Ghasemi and F. Abbasi Davani, JINST, Vol. 10, 2015, p.

     

    [۲۵] SAS Inc., ANSYS, trademark, http://www.ansys.com/.

     

    [۲۶]Determination of field strength in a linear accelerator cavity, Maier Jr, L.C.and Slater,J.C. ,Journal of Applied Physics, Vol. 23 ,1952, page 68.

    [۲۷]Microwave electronics: measurement and materials characterization, Chen L.F., Ong C.K., Neo C.P., Varadan V.V. and Varadan V.K., John Wiley & Sons, 2004.

    [۲۸]Electrical axes of Tesla-type cavities, Labanc A., Report No. DESY-TESLA-2008-01, 2008

    [۲۹]Accuracy of microwave cavity perturbation measurements,  Carter R.G., Microwave Theory and Technics, IEEE Transaction on, Vol. 49, 2001, p. 918.

    [۳۰]RF measurements and characterizations of Linac cavity using and automated bead pull measurement system, Mandi T.K., Pandey H.K., Basak S., Bandyopadhyay A. and Chakrabarti A., Proceedings of the DAE-BRNS Indian particle accelerator conference, 2009.

    [۳۱]Tuning of X-band travelling wave accelerating structures, Shi J., Grudiev A., Wensch W.,  NIM A7fv04, 2013, p. 14.

    [۳۲]Tuning of CLIC accelerating structure prototypes at CERN, Shi J., Gradiev A., Olyunin A., Wensch W.,  Proceeding of Linear Accelerator Conference LINAC2010, Tsukuba, Japan, MOPO22.

    [۳۳]Tuning procedure for travelling wave structures and its application to the C-band cavities for SPARC photo injector energy upgrade, Alesini D., Citterio A., Compogiani G., Ficcadenti L., Migliorati M., Mostacci A., Palumbo l., Persichelli S., Zennaro R., JINST 8 , 2013, 10010.

    ]۳۴[ طراحی وشبیه سازی خوشه ساز (بانچر) شتاب‌دهنده خطی الکترون،  فرشاد قاسمی، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی هسته‌ای، دانشگاه شهید بهشتی، ۱۳۸۸

    ]۳۵[ طراحی خوشه ساز شتاب دهنده‌ی خطی الکترون از نوع موج ‌رونده، فرشاد قاسمی، فریدون عباسی دوانی، محمد لامعی رشتی ، حامد شاکر، مجله علوم و فنون هسته‌ای ، شماره ۵۴ ، ۱۳۸۹ صفحه ۱

    ]۳۶[ بررسی روش‌های ساخت کاواک‌های شتاب‌دهنده خطی الکترون و پیاده‌سازی روش مناسب برای شتاب‌دهنده خطی پژوهشگاه دانش‌های بنیادی، فرشاد قاسمی، فریدون عباسی دوانی، محمد لامعی رشتی و ساسان احمدیان نمین، مجله پژوهش فیزیک ایران، جلد۱۵، ۱۳۹۴، ویژه‌نامه اولین کنفرانس ملی شتاب‌دهنده‌ها و کاربرد آن‌ها، آذر ۱۳۹۲

    [۳۷]Design of a Pi/2 mode S-band low energy TW electron linear accelerator, Shaker S.H., Ghasemi F., Proceeding of IPAC2011, MOPC009

    [۳۸]Construction  of disk-loaded  buncher for S-band low energy TW electron Linac, Ghasemi F., Abbasi Davani F., Ahmadiannamini S., Shafiee M., Lamehi Rashti M. and Shaker H., Proceeding of IPAC2012, WEPPD063

    ]39  [ طراحی واحد کنترل مرکزی شتاب‌دهنده خطی الکترون و پیاده سازی محیط نرم‌افزاری آن، سعید حقطلب، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی هسته‌ای، دانشگاه شهید بهشتی،۱۳۹۵

    [۴۰] Transverse beam dynamics of an 8 MeV electron Linac, Sanaye Hajari Sh., Haghtalab S.,

    Shaker H., Dayyani Kelisani M., Proceeding of IPAC2017, THPVA009

     

    [۴۲]    Current status of IPM Linac control system, Haghtalab S., Ghasemi F., Lamehi M., Ahmadiannamin S., Abbasi Davani F., Proceeding of IPAC2017, TUPAB042

    ]۴۳[ طراحی و پیاده‌سازی سیستم کنترل شتابگر خطی پژوهشگاه دانش‌های بنیادی، مهیار شیرشکن، اویس حسن‌پور، شاهین صنایع حجری، محمد لامعی رشتی، چهارمین کنفرانس ملی شتابگرهای ذرات و کاربردهای آن، دانشگاه خواجه نصیر طوسی، تهران، آذرماه ۱۳۹۸.

    ]۴۴[ راهنمای جامع STEP7 ، محمد رضا ماهر ، انتشارات قدیس ۱۳۹۵

    [ [45 Beam Diagnostics for Accelerators, Koziol H., CAS lectures, Loutraki, Greece, 2000.

    [46] A Diagnostics Box for the Linear Accelerator of Institute for Research in Fundamental Science (IPM),  S. Sanaye Hajari et al., Proceedings, 29th Linear Accelerator Conference, LINAC2018, Beijing, China.

    [47] Spectrometer design for diagnostics in a wide range of energy at a linear accelerator, . Kasaei S., Sh. Sanaye Hajari, M. Bahrami and H. Shaker, Journal of instrumentation, 13 P06021 (2018)

    [[48  Transverse emittance measurement at REGAE via a solenoid scan, M. Hachmann, Diploma thesis, Hamburg University, 2012.

    [۴۹] Target investigation driven by a 10 MeV electron  Linacfor bremsstrahlung production,

    1. Yarmohammadi Satri†, M. Lamehi Rachti, S. H. Shaker, F. Ghasemi, Proceeding of IPAC2017, Copenhagen Denmark.