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Teilchenbeschleuniger Teilchenbeschleuniger - eine Einführung C. Carli Transferlinien im PS Tunnel LHC Installation PS in den 60ern.

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Präsentation zum Thema: "Teilchenbeschleuniger Teilchenbeschleuniger - eine Einführung C. Carli Transferlinien im PS Tunnel LHC Installation PS in den 60ern."—  Präsentation transkript:

1 Teilchenbeschleuniger Teilchenbeschleuniger - eine Einführung C. Carli Transferlinien im PS Tunnel LHC Installation PS in den 60ern

2 Teilchenbeschleuniger Inhalt Erste Beschleuniger Fundamentale Konzepte und Komponenten oLinearbeschleuniger und Kreisbeschleuniger oTeilchenquellen oFührung und Fokussierung oLinearbeschleuniger oKreisbeschleuniger oStrahltransfer (Injektion/Extraction) oResonanzen oStrahlintensitätsabhängige Effekte oStrahldiagnostik Collider Beschleunigerkomplex am CERN oLHC oLHC Injektorkomplex

3 Teilchenbeschleuniger Erste Beschleuniger Beschleunigung durch elektrostatisches Feld z.B. van der Graaf Generator oTransport von Ladungen oPotential und elektrostatisches Feld oMaximale Energie von Protonen: eU e … Elementarladung, U … Potential Energieeinheit: eV (Max. Potential 10 MV -> Max. kin. Energie 10 MeV) (allgemein üblich) Auch Cockcroft-Walton Generator, Tandem Beschleuniger …

4 Teilchenbeschleuniger Erste Beschleuniger (klassisches) Zyklotron: oElektrisches Wechselfeld oEnergie ein Vielfaches der Spannung oKlassische Mechanik: Umlaufperiode unabhängig von Energie. Frequenz: 2πf = q B/m0g (~10 MHz) oLimitiert durch relativistische Effekte (Umlaufperiode länger als in klassischer Mechanik) Moderne Zyklotrone: Techniken um höhere Energien zu erreichen - trotz relativistischer Effekte FLFL B0B0 Beschleunigungs Spannung ~ 100 kV ~ Folie für H minus -> p bzw. Elektrode für p Dee mit angelegter Hochspannung Prinzip des klassischen Zyklotrons

5 Teilchenbeschleuniger Fundamentale Konzepte und Komponenten Linear und Kreisbeschleuniger Führung (Ablenkung und Fokussierung) durch Magnetfelder Beschleunigung durch elektrische Wechselfelder Verbindung verschiedener Beschleuniger durch Transferlinien Linearbeschleuniger: -Teilchenstrahl durchläuft Struktur einmal -Hauptsächlich elektrische Wechsel- felder für schnelle Beschleunigung -Oft bei niedriger Energie Kreisbeschleuniger: -Teilchenstrahl durchläuft Struktur sehr oft - Führungsfeld hält Strahl auf Kreis - Effiziente Nutzung des Beschleunigungsfeldes. Strahl

6 Teilchenbeschleuniger Fundamentale Konzepte und Komponenten Teilchenquellen Im Allgemeinen Erzeugung eines Plasmas (Bogenentladung, Mikrowellen und geignetes Magnetfeld, Laser pulse ….) Extraction von Ionen (Protonen) durch elektrische Felder. Beispiel: Duoplasmatron-Teilchenquelle Anode Kathode

7 Teilchenbeschleuniger Fundamentale Konzepte und Komponenten Teilchenquellen CERN duoplasmatron Protonenquelle in Faradaykäfig (90kV) (Model im Schaukasten davor)

8 Teilchenbeschleuniger Führung und Fokussierung Ablenkmagnete: möglichst perfekte Dipolmagnete (Konstantes B y, B x = 0T) Halten den Strahl auf einer geschlossenen Bahn Kreisbahn Ablenkkraft Erzeugung des Feldes durch Anregungsströme g … Gap-Höhe Formung des Feldes mit Hilfe der Form der Pole Magnetisches Feld proportional zum Impuls ->Erhöhung des Feldes während der Beschleunigung Prinzip eines Ablenkmagneten - Ablenkung nach rechts für Teilchen mit positiver Ladung

9 Teilchenbeschleuniger Führung und Fokussierung Teilchenstrahl: individuelle Teilchen nicht exact auf Referenztrajetorie (transversale Position und Winkel) Ohne Fokussierung: Strahlgröße nimmt zu, Teilchen gehen an der Vacuumkammer verloren Fokussierung mit Quadrupolen: (By/ x) (gradient, möglichst konstant) Maxwellsche Gleichungen rot B = 0 (kein Strom innerhalb der Vacuumkammer) Fokussierung in einer transversalen (horizontal in der Skizze) Ebene, Defokussierung in der anderen Kombination von mehreren Quadrupoles (unterschiedlicher Polarität) für Fokussierung in beiden Ebenen Beachte: oÜberlagerung von Dipol und Quadrupolfeld möglich oAuch Ablenkmagnete fokussieren (perfekte Dipole horizontal) oErste Synchrotrone: Konstanter gradient, Schwache Fokussierung Breite transversale Profile, große Vacuumkammern, Magnete …

10 Teilchenbeschleuniger Führung und Fokussierung Ablenkmagnet und (im Hintergrund) Quadrupole

11 Teilchenbeschleuniger Führung und Fokussierung Linearisierte Bewegungsgleichungen: Beschreibung der Trajectorien: oLongitudinale position s als unabhängige Variable oHorizontal und verticale Position x(s), y(s) Linearisierte Bewegungsgleichungen: o (x(s), x(s)=dx(s)/ds, y(s), dy(s)/dt klein) oNichtlineare Terme klein oIn guter Näherung (vor allem für Transferlinien) oOszillator mit variabler Rückstellkraft Bending radius ρ(s) = 1/h(s) y x s Trajectorie eines Teilchens

12 Teilchenbeschleuniger Führung und Fokussierung Lösungen der linearisierten Bewegungsgleichungen: oAktionsvariable J x, J y, und Anfangsphase µ x0, µ y0 hängen vom Teilchen ab, oBetafunktionen ß x (s), ß y (s),und Phasen µ x (s), µ y (s) beschreiben das Lattice (Anordnung von Ablenkmagneten und Quadrupole mit Stärken) und werden vom Lattice berechnet: Kreisbeschleuniger: ß x, ß y haben Periodizität des Lattices Transferlinien: ß x, ß y werden mit Anfangsbedingungen bestimmt. Interpretation: oHarmonischer Oszillator mit Modulation um Impulsabhängige Bahn, oAnzahl an Schwingungen pro Umlauf im Kreisbeschleuniger: tunes Q x = (µ x (0)- µ x (C))(2π) und Q y = (µ y (0)- µ y (C))(2π) mit C..Umfang des Beschleunigers oHohes k (mehr Fokussierung, höhere Rückstellkraft) – kleinere Betafunktionen und größere Winkel x und y

13 Teilchenbeschleuniger Linearbeschleuniger Möglichst viele Beschleunigungsstrecken (elektrische Wechselfelder) auf kleinem Raum Schnelle Beschleunigung Keine Ablenkmagnete, einige Quadrupole zur Fokussierung Beispiel: Alvarez – Struktur (viele andere Strukturen): oLanger Tank mit longitudinalem elektrischem Feld (->azimuthales Magnetfeld) oDrift Röhrchen: Strahl im Gap, wenn Feld in richtiger Richtung Strahl im Röhrchen, wenn Feld in Gegenrichtung oQuadrupole: integriert in Drift Röhrchen (größerer Durchmesse/Lange)

14 Teilchenbeschleuniger Kreisbeschleuniger - Synchrotrone Wesentliche Bestandteile: ohauptsächlich Magnete (zum Führen und Fokussieren, Dipole und Multipole für Korrektionen) oRadiofrequenzkavitäten (meist ein kleiner Teil des Umfangs) oStrahlbeobachtungsinstrumente oVacuumsystem, Kontrollsystem, oInfrastruktur (Kühlwasser, Elektroversorgung …) Transition oÄnderung der Umlaufzeit mit (Δp/p) Weglänge nimmt im Allgemeinen mit Δp/p zu und verlängert Umlaufzeit (Energieunabhängig), Geschwindigkeit nimmt mit Δp/p zu und verkürzt Umlaufzeit (Effekt nimmt mit Energie ab!) Unterhalb Transition: Teilchen mit Δp/p > 0 schneller Oberhalb Transition: Teilchen mit Δp/p > 0 langsamer! Beschleunigungsstruktur ~ Dipolmagnet zur Bahndefinition homogenes vertikales Feld Quadrupolmagnet zur Strahlfokusierung

15 Teilchenbeschleuniger Kreisbeschleuniger - Synchrotrone Führungs und Fokussierungs struktur: Strahl kann lange mit ~konstanter Energie zirkulieren Beschleunigung duch elektrische Wechselfelder in Radiofrequenz (RF) Kavitäten. Frequenz des Wechselfeldes ein vielfaches h der Umlauffrequenz h Positionen (Buckets), die mit Teilchenpaketen gefüllt sein können

16 Teilchenbeschleuniger Kreisbeschleuniger - Synchrotrone Beschleunigung: oRF Kavitäten produzieren elektrisches Wechselfeld – Frequenz ein ganzahliges Vielfaches h (Harmonische) der Umlauffrequenz oPhasenstabilität (z.B. oberhalb der Transition – Teilchen mit Δp/p>0 haben längere Umlaufperiode) oz … Position im Bunch z>0 Kopf, z<0 Schwanz oVacc … Spannung für Beschleunigung -> z=0 stabiler Punkt oTeilchen mit z>0 (im Kopf) Mehr Beschleunigung Erhöhung von Δp/p und Verlangsamung Reduktion von z (Phasenstabilität) Beachte: Während der Beschleunigung müssen RF Frequenz und Magnetfeld genau abgestimmt sein und entsprechend ansteigen! z V RF V acc z Δp/p KopfSchwanz

17 Teilchenbeschleuniger Strahltransfer (Injektion/Extraction) Synchrotron: Teilchen oszillieren um stabile Bahnen Spezielle Installationen für Transfer, als Beispiel Injektion: Septum-magnet (und eventuell Sollbahndeformation orbit deformation) bringt Injektionstrajektorie nahe der Sollbahn: oRegionen mit und ohne Feld durch (dünnen) Leiter getrennt Kickermagnet kickt den Strahl auf Sollbahn (bzw. deformierten orbit): oSehr kurze (im Vergleich zur Umlaufsperiode) Ein-und-Ausschaltszeiten Beachte: zusätzlich gibt es weitere Techniken oMultiturn-Injection: Injektion von langen (mehrere Umläufe) Linacpulsen oLangsame Extraktion: Gleichmässiger geringer Strom über lange Zeiten (Anregung einer Resonanz) Septummagnet Schneller Kickermagnet Transferlinie Sollbahndeformation

18 Teilchenbeschleuniger Resonanzen Perfekte Fokussierstruktur und linearisierte Bewegungsgleichungen: oIdealisierung mit kleinen Abweichungen von wirklichen Bewegungsgleichungen oStrahl kann sehr lange im Synchrotron kreisen oSummation von kleinen Effekten – Resonanzverhalten Beispiel: Ganzzahlige Resonanz durch Dipolfehler (z.B. magnetisches Streufeld) oTeilchen kommen mit gleicher Phase zum Fehler oAufschaukelung, Resonanz und Teilchenverlust oBeachte für nichtganzzahligen tune Q: Dipolfehler führen zu einem, von der Referenztrajetorie abweichenden geschlossenen Orbit Teilchen oszilieren um diesen geschlossenen Orbit

19 Teilchenbeschleuniger Resonanzen Beispiel: halbganzzahlige Resonanz angeregt durch Fokussierfehler oResonanz, Aufschaukelung der transveralen Amlitude und Teilchenverlust Im Allgemeinen: oVermeidung von mQ x + nQ y = p fuer kleine Reasonanzordnung |m|+|n| oIn Praxis Ordnung abhängig von Synchrotron, z.B. Booster (500 ms, ~ Umläufe) 3. Ordnung, Collider (Strahl zirkuliert Stunden) hohe Ordnungen. oKorrekturmagnete: Dipole zur Orbitkorrektur, Multipole zur Resonanzkorrektur

20 Teilchenbeschleuniger Intensitätsabhängige Effekte (direkte transversale Raumladungskräfte) Ladungsverteilung eines Teilchenpaketes (lange im Vergleich transversaler Ausdehnung) oCoulomb Abstoßung hauptsächlich transversal oTeilweise kompensiert durch Magnetfeld (1-β rel 2 ) oDefokussierung stärker im Zentrum, schwächer am Beginn/Ende des Paketes Konsequenz oVerringerung des Tunes – abhängig vom Teilchen (stärker im Zentrum, schwächer außen) – nimmt stark mit Energie ab oTuneverteilung – schwieriger einen Arbeitspunkt im Resonanzdiagram zu finden oNichtlinearer Effekt – Anregung von Resonanzen Limitierung der maximalen Intensität (bei gegebener Emittanz od. Strahlgröße) Start einer Beschleunigerkette mit Linearbeschleuniger Möglichst hohe Injektionsenergie, mehrere Synchrotrone in Kette abstoßende Kräfte Teilchenpaket

21 Teilchenbeschleuniger Intensitätsabhängige Effekte (Instabilitäten) Elektromagnetische Felder und Wellen in Vacuumkammer (zusätzlich zu direkten Raumladungskräften): oAbhängig von Strahleigenschaften (kohärente Schwingungen), proportional der Intensität oAbhängig von Vakuumkammer Rückwirkung auf den Strahl In bestimmten Fällen, Verstärkung der kohärenten Schwingungen und daher Instabilität Limitation der maximalen Intensität Verbesserung mit Rückkopplung, z. B. transversaler Damper s Pick-up mißt Position Kicker korrigiert Trajectorie

22 Teilchenbeschleuniger Strahldiagnostik Beobachtung des Teilchenstrahles unumgänglich: oAbschätzung der Strahleigenschaften oZum Verständnis des Beschleunigers oFür Verbesserungen der Leistungsfähigkeit Instrumente (unvollständige Liste) oStrahltransfomatoren: Strahlstrom = Primärwicklung, Signal an Sekundärwicklung für Messung oTV Stationen: Szintillator in Strahlrohr, Beobachtung des Bildes mit Kamera oPick-up: Signale von Elektroden in Vacuumkammer auf beiden Seiten des Strahles, Position oTunemessung: Kick des Strahles, Beobachtung der Oszillationen mit einer Pick- up (Positionen über viele Umläufe) Strahl starkes Signal schwaches Signal

23 Teilchenbeschleuniger Collider Maßgeblich für Teilchenphysikexperimente: Energie E s im Schwerpunktsreferenzsystem der wechselwirkenden Teilchen Strahl auf ruhendes Target (Teilchen gleicher Masse): oIneffizient für hohe Energien (und alle Sekundärteilchen in Strahlrichtung) Collider: Kollision zwischen zwei beschleunigten Teilchen(strahlen) oGesamte Energie der beiden Teilchen für Ereignis oTeilchen & Antiteilchen (z.B. Proton/Antiproton, Elektron/Positron): Ein Beschleunigerstruktur (CERN SPS, LEP) ausreichend für 2 Strahlen Erzeugung der Antiteilchen (fixed target) oKollision gleicher Teilchen Zwei Beschleuniger mit Kreuzungspunkten (z.B LHC.. Protonencollider) BeschleunigerTeilchen- Energie Es - Fixed target Es - Collider PS26 GeV52 GeV SPS315 GeV41 GeV630 GeV LHC7 TeV0.115 TeV14 TeV

24 Teilchenbeschleuniger Collider Beobachtung von Prozessen mit geringem Wirkungsquerschnitt σ ww : oWahrscheinlichkeit für Ereignis pro Zeiteinheit L·σ ww (L … Luminosität, Eigenschaft des Beschleunigers) Hohe Luminosität durch: oHohe Anzahl an Teilchen pro bunch in kleinen Emittanzen (limitiert durch direkte Raumladungseffekte in Injektoren und Strahl-Strahl Wechselwirkungen) oKleines β * : starke Fokussierung zum Wechselwirkungspunkt (große Strahldurchmesser, starke Quadrupole an beiden Seiten) oViele Packete pro Strahl

25 Teilchenbeschleuniger CERN Beschleunigerkomplex - LHC Möglichst hohe Kollisionsenergie (benötigt von Experiment): oGroßer Umfang (~27 km), möglichst dicht mit Ablenkmagneten gefüllt oHohes Magnetfeld (supraleitende Magnete > 8T !!), oCollider Hohe Luminosität: oProton-proton Collider: 1.15·10 11 protonen pro Paket, sehr dichter Strahl (Emittanz 3.5μm im Beschleuniger Jargon) 2808 Pakete pro Ring Abstand 25ns oder 7.5m Sehr kleine transversale Dimension σ = 17 μm am Wechselwirkungspunkt

26 Teilchenbeschleuniger CERN Beschleunigerkomplex - LHC Supraleitende Magnete: oJoch von konventionellen Magneten Sättigung bei ~2T oAnregung höherer Felder direkt durch Ströme (Feldqualität !) oSupraleitender Leiter in starkem Feld -> Kräfte oTemperatur 1.9 K oQuench: Ein kleines Volumen wird normalleitend (mechanische Bewegung, Verlust von Strahlteilchen) Widerstand und weitere Temperaturerhöhung Extraktion der gespeicherten Energie um Beschädigung zu vermeiden

27 Teilchenbeschleuniger CERN Beschleunigerkomplex - LHC Geometrie: oZwei getrennte Strahlrohre (aber im selben Magneten) oKreuzungspunkte Vier große Experimente Gleiche Länge für beide Ringe Kollimation: oBildung eines Halos um den Strahl oVerlust auf Magnet würde Quench hervorrufen oEinfang der Teilchen in Cleaning insertion (Herausforderung, gesamte 350 MJ kin. Energie pro Strahl)

28 Teilchenbeschleuniger LHC – Injektorbeschleunigerkette Beispiel eines Beschleunigerkomplexes oJe höher die Energie/Impuls, desto größer der Beschleuniger (oder hohes Magnetfeld) oLimitierter dynam. Arbeitsbereich: Stromversorgungen, Magnete, RF (ß rel <1) oTypischerweise 1 Grössenordnung im Impuls pro Stufe. oBei niedriger Energie Linearbeschleuniger, danach mehrere Synchrotrons

29 Teilchenbeschleuniger LHC – Injektorbeschleunigerkette Beispiel eines Beschleunigerkomplexes Protonenquelle o90 keV, gepulst alle 1.2 s. Linac2 (Linearbeschleuniger) oβ rel ~0.3, γ rel ~1.05 o50 MeV, gepulst alle 1.2 s. PS Booster (4-Ring Synchrotron) oMultiturninjektion !! oβ rel ~0.916, γ rel ~2.5 o1.4 GeV, 1.2 s Zyklus. PS (Synchrotron) oγ rel ~27, β rel ~ o25 GeV, 3.6 s Zyklus. SPS (Synchrotron) oγ rel ~450, β rel ~ o450 GeV, 21.6 s Zyklus. Verbunden durch Transferlinien Herausforderung für LHC: oKleine transversale Emittanz und Strahlgröße trotz direkter Raumladungskräfte Parallel zu LHC-Strahlen: oOperation diverser anderer Experimente Hall EST Linac2 SPS Protonenquelle


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