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BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip.

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Präsentation zum Thema: "BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip."—  Präsentation transkript:

1 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

2 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC

3 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC

4 Beschleunigung mit Gleichspannung Resonante Beschleunigung Strahlentransformator (Betatron) BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Beschleunigertypen

5 U - Beschleunigungsstrecke wird nur einmal durchlaufen - E kin max < 30MeV - Beispiel Röntgenröhre als Fixed-Target-Experiment QuelleTarget BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Beschleunigertypen Beschleunigung mit Gleichspannung VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC

6 ~ ~ Cyclotron: 1931 Lawrence & Livingston Linearbeschleuniger: 1928 Ising, Wideröe Problem: Relativistischer Massenzuwachs, d.h. Synchro-Cyclotron mit BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider halbe Keksdose Beschleunigertypen Resonante Beschleunigung VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC

7 Betatron: 1927 Wideröe BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider x x x x x. Spule Vakuum- kammer Joch Teilchenstrahl ist Sekundärspule Beschleunigertypen Strahlentransformator VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC

8 Erfindung: 1944 Veksler BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Synchrotron Synchro-CyclotronBetatron Synchrotron VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC

9 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider x Magnetisches Führungsfeld wächst mit Impuls: ~ Frequenz wird an den Impuls angepasst. Driftröhren o. Cavities Erfindung: 1944 Veksler Synchrotron VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Teilchenpaket (Bunch)

10 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Prinzip Phasenstabilität Phasenfokussierung VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Synchrotron-Schwingung um

11 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Luminosität Ereignisrate Luminosität Wirkungsquerschnitt Wichtige Beschleuniger-Kenngröße Luminosität für Bunche mit Gaussverteilung VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC 23 Ww pro Bunch- kreuzung LHC: x z s

12 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Fragen bisher?

13 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Meilensteine…

14 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Meilensteine…

15 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Fokussierung

16 Strahlverlust Gasatom Divergenz-Ursachen: - Feldfehler - Gasreste … Strahldivergenz + grosse Strecke BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Fokussierung Notwendigkeit VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

17 -x homogenes Magnetfeld(Dipol) A F B A F B x -x s Sollbahn - viele Teilchen werden fokussiert - kurze Brennweite - kleiner Radius 2D x Großer Divergenzwinkel α = BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Schwache Fokussierung xx x x x x xx x x x x VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

18 Cosmotron ,3 GeV Ø 22m Schwache Fokussierung BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

19 Bevatron ,2 GeV Ø 55m Schwache Fokussierung BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

20 Synchrophasotron GeV Ø 33m Schwache Fokussierung BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

21 r z x N S Schwache Fokussierung Senkrecht zur Bahnebene - B-Feld-Stärke nimmt nach Aussen ab - Fokussierung in der Bahnebene verschlechtert sich BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

22 x AB A B x s F schwächere Krümmung aussen stärkere Krümmung innen R0R0 BzBz r B0B0 F Schwache Fokussierung Von Schwach nach Stark Gradient verursacht BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

23 Orbit AB s Starke Fokussierung Idee A B Alternating Gradient Principle 1952 Wechselnde Feldgradienten BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

24 x -x Orbit AB x s B A Rechnung zeigt: - Stärkere Fokussierung in Bahnebene und senkrecht dazu, obwohl abwechselnd auch defokussiert wird. - Diese starke Fokussierung ist unabh. von Radius. Starke Fokussierung Idee Alternating Gradient Principle 1952 Wechselnde Feldgradienten BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

25 Starke Fokussierung BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider PS CERN, GeV Ø 200m VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

26 Starke Fokussierung BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider AGS GeV Ø 257m VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

27 Beampipe: 20cm x 61cm Energie: 3,3GeV Ø : 22m Stahl [t]: 2000 Ø 3-5 cm 33GeV 257m 4000 Cosmotron 1952AGS 1960 Querschnittsvergleich Starke Fokussierung Alternating Gradient Sychrotron BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

28 Führungsfeld und Fokussierung in einem. Führungsfeld durch Dipolmagnete(D) Fokussierung durch Quadrupol-Dubletts(QD) D QD D Combined Function Magnets: Separated Function Magnets: Gradient, nicht Feldrichtung Optik: Linsen-Dubletts BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

29 z x N S SN F FF F B x = -gz B z = -gx Horizontal fokussiered und gleichzeitig vertikal defokussierend Starke Fokussierung Quadrupol x x x x BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

30 z x s s Fokussierung wenn: Gradient des B-Feldes reale Länge des Quadrupols Starke Fokussierung Vergleich mit Optik BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

31 Starke Fokussierung Bewegungsgleichung z x x(s) z(s) s r 0r 0 s Schwingung um Sollbahn Betatron-Schwingung BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

32 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

33 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Collider-Prinzip

34 Collider-Prinzip Kollidierende Teilchenstrahlen Vorteile: Höhere Schwerpunktsenergie bei kleinerer Strahlenergie BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

35 Vorteile: Recycling Fixed-Target: Bunche gehen nach Kollision verloren Collidern: Bunche werden recyclet x x.. x x.. LHC: 2835 Bunche, Abstand 25ns, Protonen/Bunch BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Collider-Prinzip Kollidierende Teilchenstrahlen

36 Vorteile: Teilchen und Antiteilchen können in einer Strahlröhre gegensinnig beschleunigt werden.. FLFL FLFL v v Nachteile: Identische Teilchen können nicht in einer Strahlröhre gegensinnig beschleunigt werden. q-q BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider |v|=|v| VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Collider-Prinzip Kollidierende Teilchenstrahlen

37 Nachteile: Luminosität geringer als bei Fixed-Target- Experimenten. Problem bei p-p-Collidern: Protonen sind keine Punktteilchen Impulsverteilung der Konstituenten Collider: Fixed Target: BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Collider-Prinzip Kollidierende Teilchenstrahlen

38 ISR Intersecting Storage Rings, 1.p-p-Collider 1971, 31+31GeV, bis 1984 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Collider-Prinzip Kollidierende Teilchenstrahlen

39 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

40 Supraleitende Magnete BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

41 Supraleitende Magnete Vergleich Elektromagnete mit Eisenkern: (Sättigung des Eisens) Elektromagnete ohne Eisenkern (Luftspule): - Normal-Leiter Stromdichten bis 100A/mm² - Supraleiter Stromdichten >1500A/mm² Multipolordnung BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

42 Supraleitende Magnete Spule ohne Eisen-Kern Diese Stromverteilung erzeugt ein B-Feld m-ter Ordung: Beispiel m=1: Dipolfeld BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

43 Supraleitende Magnete Supraleiter = Idealer Diamagnet FF Idealer Diamagnet: M= H=-H H S.L BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

44 Ströme fließen nur im Mantelbereich F M= H=-H H F. S.L Idealer Diamagnet: BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Supraleitende Magnete Supraleiter = Idealer Diamagnet

45 Supraleitende Magnete Supraleiterkabel Große Oberfläche, um kritische Stromdichte zu vermeiden Quenching Plötzlicher Verlust der Supraleitung Normalleitung = Leistungsabfall/Wärme BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Filamente VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

46 Um die Ausbreitung eines Quenches zu verhindern wird das S.L.Material von Kupfer umgeben: Cu transportiert Wärme ab. Cu übernimmt kurzfristig den Stromtransport BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Supraleitende Magnete Supraleiterkabel

47 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

48 Warum NbTi ?NbTi läßt sich leicht verarbeiten, d.h. es ist nicht spröde. Supraleitende Magnete NbTi BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider S.L.2. Art lassen höhere äussere Felder zu. B-Feld kann in Fluss-Schläuchen eindringen VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

49 Supraleitende Magnete LHC-Dipol Querschnitt eines LHC-Dipolmagneten BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

50 Spulen und mech. Einfassung Abstoßende Kräfte zwischen den Leitern: 400t pro Meter Leiterlänge BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Supraleitende Magnete LHC-Dipol

51 Länge: ca. 15mGewicht: 27tStrom:11850A B-Feld: 8,3TAnzahl: 1232 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Supraleitende Magnete LHC-Dipol

52 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

53 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Stochastische Kühlung

54 Strahldivergenz bleibt bei Fokussierung erhalten Divergenz=Transversale Temperatur Notwendigkeit: BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Verbesserung der Strahlqualität VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

55 Idee Simon v.d. Meer 1972 Pick-UpKicker Signalübertragung Abkürzung Teilchenzahl zu groß Untersysteme ( Makroteilchen) Stochastische Kühlung Transversales E-Feld kickt Teilchen auf neue Bahn Probleme gegeben durch Betatronschwingung BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

56 Stochastische Kühlung Pick-Up Kicker: Strecke kurz Durchdringung der Makroteilchen unerwünscht Kicker Pick-Up:Strecke möglichst lang kalte und warme Makroteilen mischen Gesamttemperatur sinkt. BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

57 Stochastische Kühlung BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Antiproton Accumulator Ring CERN VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

58 VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider

59 VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Tevatron & LHC…

60 Tevatron VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Tevatron LHC Ausblick BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Oberirdisch!

61 Tevatron VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Tevatron LHC Ausblick BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider 1 TeV 3.2 km Umfang 6.3km Umfang

62 LHC VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Tevatron LHC Ausblick BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider

63 LHC Umfang: 27km 7TeV L=10 34 cm -2 s -1 VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Tevatron LHC Ausblick BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider

64 VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Tevatron LHC Ausblick BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Computer-Grafik

65 LHC Zeitplan Oktober 2006 April 2007 Herbst 2007 Ring wird geschlossen und gekühlt LHC-Inbetriebnahme (erste Strahlen) Erste pp-Kollisionen VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Tevatron LHC Ausblick BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider

66 Ausblick VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Tevatron LHC Ausblick BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VLHC (233km, bis 200TeV) LHC (27km) Tevatron (6,3km)

67 LHC & Tevatron LHC-Bilder Ende


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