Návrh elektronového zdroje pro elektron-pozitronový urychlovač FCC-ee

Bc. Tomáš Březina

Bachelor's thesis

Electron source and pre-injector design for FCC-ee

Abstract:

Zdroje částic pro fyziku urychlovačů jsou moderní vědní obor se zajímavou fyzikou a inženýrstvím. V této práci studujeme možnost RF-fotoinjektoru jako zdroje elektronů pro nový navrhovaný urychlovač leptonů FCC-ee v CERNu (Evropská organizace pro jaderný výzkum) a hodnotíme jeho proveditelnost. Pomocí dvou optimalizačních algoritmů, manuálního a automatického, zjišťujeme možnosti různých možností počátečního uspořádání částic a jejich vliv na výkonnost fotoinjektoru. Výkonnost obou optimalizačních procesů je hodnocena. Kód pro sledování částic A Space Charge Tracking Algorithm (ATSRA) byl použit k simulaci chování částic v injektoru včetně efektů prostorového náboje a vnějších elektromagnetických polí. Je diskutován materiál pro emitor elektronů a jako nejvýhodnější se jeví možnost PEA polovodiče. Byly použity dvě možnosti pro shlukovou strukturu emitovaných částic, gaussovské a rovnoměrné rozložení. Obě byly optimalizovány a bylo vyhodnoceno, že RF-fotoinjektor je vhodnou volbou jako zdroj elektronů pro FCC-ee díky jeho nízké celkové emitanci a jednoduchým použitým optimalizačním procesům.

Abstract:

Sources of particles for accelerator physics is a modern scientific field with interesting physics and engineering behind it. In this thesis we study the RF-photoinjector option as an electron source for the proposed new lepton collider FCC-ee at CERN (the European Organization for Nuclear Research) and assess its feasibility. We determine the capabilities of different options for the photoinjector, trough two optimisation algorithms, manual and automatic, we look into the possibilities of different options for the initial arrangement of particles and their effect on the performance of the photoinjector. The performance of each optimisation process is evaluated. The particle tracking code A Space Charge Tracking Algorithm (ATSRA), has been used to simulate the particle behaviour in the injector including space charge effects and external electromagnetic fields. The material for the electron emitter is discussed and the option of PEA semiconductor seems to be the most favourable option. Two options for the bunch structure of the emitted particles were used, the Gaussian and uniform. Both of them were optimised and it was assessed that the RF-photoinjector is a valid option as a electron source for the FCC-ee, thanks to its low overall emittance and simple optimisation processes used.

Keywords

lineární urychlovač, fyzika urychlovačů, FCC-ee, částicová optika, prostorový náboj, fotoefect, linac, photoinjector, particle accelerator, space charge, accelerator physics, particle optics, photoefect

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 24. 5. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 23. 6. 2022
• Supervisor: Mgr. Tomáš Radlička, Ph.D.
• Reader: Ing. Jakub Zlámal, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Physics / Physics