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Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 1 Erdgebundene Beschleuniger 1.kurze historische Einleitung.

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Präsentation zum Thema: "Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 1 Erdgebundene Beschleuniger 1.kurze historische Einleitung."—  Präsentation transkript:

1 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 1 Erdgebundene Beschleuniger 1.kurze historische Einleitung 2.Grundlagen der Beschleunigung 3.Linearbeschleuniger 4.Betatron 5.Zyklotron 6.Synchrotron 7.Ausblick

2 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 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 1947Alvarez entwickelt ersten Proton-Linearbeschleuniger 1950 Christofilos formuliert Konzept der Starken Fokussierung E.O. Lawrence

3 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 3 Zeitliche Entwicklung

4 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 4 Grundlagen der Teilchenbeschleunigung Teilchenbeschleunigung ist angewandte Elektrodynamik Lorentzkraft Maxwell- Gleichungen n.b.: Lorentzkraft bei zeitabhängigen Feldern ist keine konservative Kraft, i.e.

5 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 5 Grundlegende Ideen 1.Linearbeschleuniger versus Ringbeschleunigung Linearbeschleuniger brauchen keine Führungsmagnete jede Beschleunigungsstrecke kann nur einmal durchlaufen werden 2.Elektron- versus Protonbeschleunigung Energieverlust durch Synchrotronstrahlung ~ E 4 und ~1/m 4 B-Feldstärke für Führungsmagnete ~ m Elektronen sind punktförmig

6 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 6 Fixed Target vs Kollider für Protonen (m p c 2 ~ 1 GeV):

7 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 7 Kaskadengeneratoren (Cockcroft-Walton) findet heute noch Anwendung als Vorbeschleuniger beschränkt auf wenige MeV

8 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 8 Linearbeschleuniger Beschleunigungsstrecke muss an Flugstrecke angepasst werden kein kontinuierlicher Teilchenstrom

9 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 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

10 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 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

11 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 11 Zyklotron konstantes B-Feld für Kreisbahn und Beschleunigung im E-Feld

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

13 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 13 Synchrotron Zeitlich ansteigendes B-Feld mit der Beschleunigung erlaubt Ringbeschleuniger

14 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 14 Synchrotron Kavität (Beschleunigung) Tunnel, Strahlröhre, Vakuumpumpen, Sextupol, … Quadrupol (Fokussierung)

15 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 15 Hochfrequenzbeschleuniger laufende elektromagnetische Welle in Hohlraumresonatoren phasengeschwindigkeit grösser als c

16 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 16 HF-Beschleunigung Irisblenden um Phasen- geschwindigkeit zu reduzieren

17 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 17 HF-Beschleunigung Klystron

18 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 18 Starke Fokusierung Zwei gekreutzte Quadrupole im Abstand d kleiner als deren doppelte Fokallänge wirken insgesamt fokussierend (in beiden Ebenen). Ansicht von oben Seitenansicht

19 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 19 Starke Fokusierung

20 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 20 Stochastisches Kühlen aktive Korrektur der Bahn- abweichung von Bunchen besonders wichtig für Antiprotonen

21 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 21 Linearbeschleuniger SLC Klystron-Gallerie des SLC Klystron eines Mikrowellen- herdes

22 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 22 Linearbeschleuniger

23 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 23 Der PEP-Beschleuniger am SLAC Luminosität ~ 8x10 33 /cm 2 s = 8 /nb s bb Wirkungsquerschnitt ~ 1nb

24 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 24 Collider Parameter Ereignis-Rate R: Wirkungsquerschnitt Luminosität L:n i Anzahl Teilchen in Paket i f: Kollisionsfrequenz x horizontale Strahlgröße y vertikale Strahlgröße Luminosität L: Strahlgröße: transversale Emittanz (Strahlqualität) Amplitudenfunktion (Strahloptik) : transversale Versetzung : Winkel bzgl. Strahlachse Wert der -function am WW-Punkt.

25 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 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

26 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 26 Teilchenbeschleuniger in Betrieb/Bau

27 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 27 HERA / DESY einziger ep- Beschleuniger erster Einsatz von supraleitenden Magneten

28 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 28 LEP/LHC

29 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 29 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 TESLA e+e- Linearbeschleuniger mit integriertem Röntgenlaser (free electron laser)

30 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 30 TESLA e+e- Linearbeschleuniger mit integriertem Röntgenlaser (free electron laser)

31 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 31 TESLA Kavitäten

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

33 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 33 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 Literatur / weiterführende Informationen:

34 Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 34 Produktion von Antiprotonen


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