Erdgebundene Beschleuniger

Präsentation zum Thema: "Erdgebundene Beschleuniger"—  Präsentation transkript:

1 Erdgebundene Beschleuniger
kurze historische Einleitung Grundlagen der Beschleunigung Linearbeschleuniger Betatron Zyklotron Synchrotron Ausblick Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

2 Historischer Rückblick
• 1928: R. Wideroe berichtet über ersten Betrieb eines Linearbeschleuingers (Ka und Na-Ionen) • 1931: Van de Graaff konstruiert ersten Hochspannungsgenerator • 1932: Lawrence und Livingston präsentieren ersten Protonen-Strahl vom 1.2 MeV Zyklotron • 1939: Hansen, Varian und Varian erfinden Klystron • 1941: Kerst und Serber stellen das erste funktionierende Betatron vor; Touschek und Wideroe entwickeln das Prinzip von Ringbeschleunigern • 1947 Alvarez entwickelt ersten Proton-Linearbeschleuniger • Christofilos formuliert Konzept der Starken Fokussierung E.O. Lawrence Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

3 Zeitliche Entwicklung
Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

4 Grundlagen der Teilchenbeschleunigung
Teilchenbeschleunigung ist angewandte Elektrodynamik Maxwell- Gleichungen Lorentzkraft n.b.: Lorentzkraft bei zeitabhängigen Feldern ist keine konservative Kraft, i.e. Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

5 Grundlegende Ideen Linearbeschleuniger versus Ringbeschleunigung
Linearbeschleuniger brauchen keine Führungsmagnete jede Beschleunigungsstrecke kann nur einmal durchlaufen werden Elektron- versus Protonbeschleunigung Energieverlust durch Synchrotronstrahlung ~ E4 und ~1/m4 B-Feldstärke für Führungsmagnete ~ m Elektronen sind punktförmig Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

6 Fixed Target vs Kollider
für Protonen (mpc2 ~ 1 GeV): Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

7 Kaskadengeneratoren (Cockcroft-Walton)
findet heute noch Anwendung als Vorbeschleuniger beschränkt auf wenige MeV Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

8 Linearbeschleuniger Beschleunigungsstrecke muss an Flugstrecke angepasst werden kein kontinuierlicher Teilchenstrom Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

9 Betatron ein B-Feld das sich zeitlich ändert induziert einen E-Feld
Funktionsweise ähnlich wie die des Transformators Energien ~ O(100) MeV beschränkt durch Synchrotronstrahlung Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

10 Fokusierung des Teilchenstrahls
(schwache Fokusierung) Teilchenstrahlen haben eine endliche Ausdehnung und damit eine Ab-weichung von der Kreis-bahn rücktreibende Kräfte bringen Teilchen zurück auf Sollbahn Betatron-Oszillationen Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

11 Zyklotron konstantes B-Feld für Kreisbahn und Beschleunigung im E-Feld
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12 Zyklotron: Phasenstabilität
Problem: Synchrotronoszillationen Teilchen nicht synchron mit der Beschleunigungsfrequenz longitudinale Oszillationen Teilchen zu früh: grösseres U Teilchen zu spät kleineres U relativ zu US Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

13 Synchrotron Zeitlich ansteigendes B-Feld mit der Beschleunigung erlaubt Ringbeschleuniger Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

14 Synchrotron Quadrupol (Fokussierung) Kavität (Beschleunigung)
Tunnel, Strahlröhre, Vakuumpumpen, Sextupol, … Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

15 Hochfrequenzbeschleuniger
laufende elektromagnetische Welle in Hohlraumresonatoren phasengeschwindigkeit grösser als c Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

16 Irisblenden um Phasen-geschwindigkeit zu reduzieren
HF-Beschleunigung Irisblenden um Phasen-geschwindigkeit zu reduzieren Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

17 HF-Beschleunigung Klystron
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18 Starke Fokusierung Seitenansicht Ansicht von oben Zwei gekreutzte Quadrupole im Abstand d kleiner als deren doppelte Fokallänge wirken insgesamt fokussierend (in beiden Ebenen). Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

19 Starke Fokusierung Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

20 Stochastisches Kühlen
aktive Korrektur der Bahn-abweichung von Bunchen besonders wichtig für Antiprotonen Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

21 Linearbeschleuniger SLC
“Klystron” eines Mikrowellen- herdes Klystron-Gallerie des SLC Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

22 Linearbeschleuniger Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

23 Der PEP-Beschleuniger am SLAC
Luminosität ~ 8x1033 /cm2 s = 8 /nb s bb Wirkungsquerschnitt ~ 1nb Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

24 Collider Parameter • Amplitudenfunktion  (Strahloptik)
Ereignis-Rate R: Wirkungsquerschnitt Luminosität L: niAnzahl Teilchen in Paket i f: Kollisionsfrequenz xhorizontale Strahlgröße yvertikale Strahlgröße Strahlgröße: • transversale Emittanz  (Strahlqualität) • Amplitudenfunktion  (Strahloptik) ’ : transversale Versetzung ’ ’: Winkel bzgl. Strahlachse Wert der -function am WW-Punkt. Luminosität L: Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

25 Synchrotronstrahlung
Abstrahlungsleistung eines relativistischen Teilchens bei zentripetaler Beschleunigung: v: Teilchengeschwindigkeit : Krümmungsradius Pro Umlauf abgestrahlte Energie: • Elektron mit v ≈ c • Proton mit v ≈ c Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

26 Teilchenbeschleuniger in Betrieb/Bau
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27 HERA / DESY einziger ep-Beschleuniger
erster Einsatz von supraleitenden Magneten Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

28 LEP/LHC Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

29 TESLA e+e- Linearbeschleuniger
mit integriertem Röntgenlaser (free electron laser) • 2 Linearbeschleuniger mit je 15 km Länge • Kollisionsenergie von 500 GeV bis ca. 800 GeV • Großdetektor(en) zur Teilchenphysik • Röntgenlaser Wellenlänge von 5 bis 0.05 Nanometer • Experimentierkomplex für Materialforschung, Biologie, Medizin • Beschleunigertunnel mit 5 m Durchmesser • supraleitende Beschleunigerstrukturen • Betriebstemperatur 2 K Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

30 TESLA e+e- Linearbeschleuniger
mit integriertem Röntgenlaser (free electron laser) Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

31 TESLA Kavitäten Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

32 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck

33 Literatur / weiterführende Informationen:
• H. Wiedemann, “Particle Accelerator Physics” I & II Springer 1993/1995 • K. Wille, Physik der Teilchenbeschleuniger, Teubner 1992 • Particle Data Group, Phys. Rev. D66 (2002) , • SLAC Linear Accelerator Center, • CERN, accintro.html Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck

34 Produktion von Antiprotonen
Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V TU SS S. Bethke, J. Schieck