Utveckling av ett RF-system för AWAKE-Run2 projektet

Infrastruktur: AWAKE-Run2
Projekttitel: Utveckling av ett RF-system för AWAKE-Run2 projektet
Huvudsökande: Kevin Pepitone, FREIA
Beviljade medel: 9 800 000 SEK för perioden 2021-2024

Forskning inom partikelfysik, materialvetenskap och biologi kräver ofta strålar av laddade partiklar, till exempel elektroner, protoner eller lätta joner med hög energi, som accelereras med hjälp av partikelacceleratorer. Dessa är ofta stora apparater, 100 tals meter, och blir därmed också dyra. Ett skäl till storleken är att man med dagens teknik har svårt att åstadkomma elektriska fältstyrkor, som behövs för att accelerera de laddade partiklarna, på mer än några 10 tals miljoner volt per meter (MV/m), utan att orsaka elektriska urladdningar. En alternativ metod, under snabb utveckling, för att åstadkomma höga elektriska fält är så kallad ”plasma wakefield acceleration”. Denna metod kan potentiellt generera fält på miljarder volt per meter (GV/m). Här skickar man en kraftig puls av laddade partiklar eller en intensiv laserpuls, en så kallad drivpuls, in i en gas. Gasen joniseras då och bildar ett plasma med joner och elektroner. Samtidigt skapar drivpulsen, som färdas nära ljusets hastighet, en våg i plasmat liknande kölvattnet (wake) från en motorbåt. I vågen oscillerar plasmats elektroner i förhållande till de orörliga jonerna vilket ger upphov till mycket starka elektriska fält som i sin tur kan användas för att accelerera en stråle av andra laddade partiklar. AWAKE (The Advanced Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment) är ett utvecklingsprojekt vid CERN som syftar till att demonstrera ”plasma wakefield” acceleration med en drivpuls av protoner. 2018 lyckades AWAKE på detta sätt accelerera elektroner för första gången.

AWAKE-experimentet kommer nu att gå in i en andra fas med en uppdaterad elektronlinje. Den nuvarande elektronkällan baserad på en S-band (2-4 GHz) fotoinjektor och ett S-bands accelerationssteg, kommer att användas för s.k. seedningen av protonstrålens egenmodulation. Denna teknik är nödvändig för att dela upp den långa protonpulsen från CERNs SPS accelerator i korta mikropulser anpassade till plasmats våglängd. En ny elektronkälla och elektronlinje som drivs med S-band och X-band (8-12 GHz) klystroner kommer att utvecklas. Elektronerna från den nya källan kommer att accelereras med hjälp av plasma wakefields.

Denna ansökan syftar till att delta i studierna av AWAKEs elektroninjektor genom att utveckla en prototyp av RF-systemet. Detta betyder att vi vill bidra till AWAKE projektet genom att tillhandahålla ett klystronbaserat system och genom att utveckla solid-state effektförstärkare för att driva det. Definitionen och optimeringen av de olika systemen (inklusive vågledare, pulskompressorer och cirkulatorer) för att driva RF-kanoner, buncher och accelererande strukturer kommer att ingå i denna studie. Integration och tillförlitlighetstester kommer också att vara en väsentlig del av arbetet med tanke på det begränsade utrymmet och tillgängligheten till AWAKEs experimentarea.

Med detta projekt kan vi dra nytta av svenska erfarenheter från FREIA laboratoriet (Uppsala) inom RF-området, kontrollsystem och acceleratorstyrning liksom den senaste utvecklingen inom solid state effektförstärkare för att driva klystronen. Detta arbete kommer att vara en del av AWAKE samarbetet vid CERN (Schweiz) och kommer att involvera ScandiNova (Uppsala) för utveckling och integration av X och S-band RF-enheter.