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Seminar Kern- und Teilchenphysik Hüseyin Tepeli

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Präsentation zum Thema: "Seminar Kern- und Teilchenphysik Hüseyin Tepeli"—  Präsentation transkript:

1 Seminar Kern- und Teilchenphysik Hüseyin Tepeli
Beschleuniger und Mechanismen Seminar Kern- und Teilchenphysik Hüseyin Tepeli VORTRAG am

2 Ablauf Geschichte der Beschleuniger Einsatzgebiete
Vorstellen einzelner Beschleuniger Typen/Mechanismen Die Zukunft

3 Geschichte der Beschleuniger
Bis etwa 1950: der MeV-Bereich (Kosmische Strahlung) (Rutherfordsches Streuexperiment) Van-de-Graaff-Beschleuniger Cockcroft-Walton-Generator Zyklotron Betatron

4 Geschichte der Beschleuniger
Ab etwa 1950: der GeV-Bereich Linearbeschleuniger (LINAC) SLAC Ringbeschleuniger (Synchrotron) Bevatron Cosmotron Speicherringe Intersecting Storage Rings (ISR) Beschleunigerkomplexe Large Electron-Positron Collider Large Hadron Collider Tevatron linear accelerator Bevatron ist der Name des ersten großen Synchrotrons, eines Teilchenbeschleunigers für Protonen Das Cosmotron war ein Synchrotron-Teilchenbeschleuniger von 23 m Durchmesser am Brookhaven National Laboratory.

5 Welche Teilchen? Bis heute: Elektronen/Positronen
Protonen/Antiprotonen Ionen von Deuteronen bis zum Uran In der Zukunft: m-Collider

6 Einsatzgebiete Teilchenphysik: CERN, DESY, SLAC, FERMILAB, JLAB, KEK …
Nutzen der Synchrotronstrahlung: z.B. ESRF, DESY, …. Grundlegende Atom- und Molekülphysik Festkörperphysik Geowissenschaften Materialwissenschaften Chemie Molekular- und Zell-Biologie Oberflächen-/Grenzflächenphysik Kernphysik: S-DALINAC, GSI, SNS (Oak Ridge, USA) …. Elektron-/Proton-Beschleuniger Ionen-Beschleuniger/-Collider Gleichstrom-Teilchenstrahlen

7 Einsatzgebiete Industrielle Anwendungen Radiographie mit Röntgenstrahlen Ionen-Implantation Isotopen-Herstellung/-Trennung Material-Untersuchungen Nahrungsmittel-Sterilisation Elektronen-/Röntgenstrahl-Lithographie Medizinische Anwendungen: GSI - Heidelberg, PSI (Schweiz), … Erzeugung von Radioisotopen Bestrahlung von Patienten, z.B. zur Tumorbehandlung Archäologie, Altersdatierung, Umweltforschung (z.B. Wien - VERA) Energietechnik: Kernfusion, Energy Amplifier Quelle: Rüdiger Schmidt/Prof. Dr. Biebel

8 Einsatzgebiete der Beschleuniger
Ion implanters and surface modifications  7000 Accelerators in industry 1500 Accelerators in non-nuclear research  1000 Radiotherapy 5000 Medical isotopes production 200 Hadron therapy  20 Synchrotron radiation sources 70 Nuclear and particle physics research 110 World wide inventory of a accelerators, in total The data have been collected by W. Scarf and W. Wiesczycka (See U. Amaldi Europhysics News, 31/6, 2000) Today (2007), this increased to about

9 Kosmische Strahlung Die Kosmische Strahlung (englisch cosmic rays) ist eine hochenergetische Teilchenstrahlung (10hoch20 eV) aus dem Weltall, die von der Sonne, der Milchstraße und von fernen Galaxien kommt. Sie besteht vorwiegend aus Protonen, daneben aus Elektronen und vollständig ionisierten Atomen. Auf die äußere Erdatmosphäre treffen zirka 1000 Teilchen pro Quadratmeter und Sekunde. Durch Wechselwirkung mit den Gasmolekülen entstehen Teilchenschauer mit einer hohen Anzahl von Sekundärteilchen, von denen aber nur ein geringer Teil die Erdoberfläche erreicht. Vor der Entwicklung leistungsfähiger Teilchenbeschleuniger diente die kosmische Strahlung als Quelle hochenergetischer Teilchen für Teilchenphysikexperimente, und viele Elementarteilchen wurden zunächst in dieser nachgewiesen, wobei die Physiker sich dazu auch auf Bergspitzen begaben und Ballonexperimente ausführten.

10 Beschleunigertypen Direktbeschleuniger: Arbeiten mit hoher Gleichspannung. Linearbeschleuniger: Arbeiten mit Hochfrequenz (Radio Frequency = RF). Kreisbeschleuniger: Arbeiten ebenfalls mit Hochfrequenz (RF) sowie magnetischen Führungsfeldern. 

11 Energiegewinn eines geladenen Teilchens
Der Energiegewinn eines geladenen Teilchen ist proportional zur Spannung, die das Teilchen durchläuft, und zur Ladung des Teilchens.

12 Van-de-Graaf-Beschleuniger (bis 20 MeV)
am weitesten verbreiteten Beschleuniger fur niedrige ¨ Energien mit bis zu etwa 20MeV Van de Graaff-Beschleuniger • Erzeugung der Hochspannung durch Bandgenerator (beide Polaritäten mgl.) • Spannungsfestigkeit wichtigster Gütefaktor Æ rundgeformte Elektroden mit großen Radien (teilweise mehrere Meter) • Gleichmäßige Beschleunigung durch Widerstandskette (Äquipotentialringe) • Erhöhung der Spannungsfestigkeit durch Unterbringung in Drucktank mit Schutzgas möglich • Maximal mögliche Beschleunigungsspannung ca. 15MV • Nachteil: relativ geringe Ionenströme (0,1-1mA) • Vorteil: Spannung kann durch zusätzl. Maßnahmen konstant gehalten werden • Immer noch als Injektor in Betrieb Rosenau-Labor, Tübingen (Quelle:

13 Van-de-Graaf-Beschleuniger
Schematischer Aufbau (Quelle: de.wikipedia.org) Van de Graaff-Beschleuniger • Erzeugung der Hochspannung durch Bandgenerator (beide Polaritäten mgl.) • Spannungsfestigkeit wichtigster Gütefaktor Æ rundgeformte Elektroden mit großen Radien (teilweise mehrere Meter) • Gleichmäßige Beschleunigung durch Widerstandskette (Äquipotentialringe) • Erhöhung der Spannungsfestigkeit durch Unterbringung in Drucktank mit Schutzgas möglich • Maximal mögliche Beschleunigungsspannung ca. 15MV • Nachteil: relativ geringe Ionenströme (0,1-1mA) • Vorteil: Spannung kann durch zusätzl. Maßnahmen konstant gehalten werden • Immer noch als Injektor in Betrieb

14 Tandem van-de-Graaff Beschleuniger
Tandem-Beschleuniger • Verdopplung der möglichen Beschleunigungsspannung durch zweifaches Ausnutzen der Hochspannung • In Ionenquelle Anlagerung von Elektronen Æ negative Ionen • Beschleunigung zur Ladungsaustauchkammer (LA) • Durch Stöße mit Neutralatomen oder Molekülen werden Elektronen abgestreift positive Ionen • Erneute Beschleunigung E max = (q1+q 2 )·U • Gewünschte Energien werden durch Analysatormagnete selektiert • Vorteil: Ionenquelle und Target auf Massepotential • Nachteil: Elektronen können nicht beschleunigt werden Quelle:

15 Tandem van-de-Graaff Beschleuniger
Tandembeschleuniger im Maier-Leibnitz-Laboratorium in Garching bei München + Stripperfolie (Rechts) (http://de.wikipedia.org/wiki/Tandembeschleuniger) Ein Tandembeschleuniger ist ein Teilchenbeschleuniger. Er ist eine Weiterentwicklung des Van-de-Graaff-Beschleunigers, bei der die Beschleunigungsspannung zweimal genutzt wird, indem die Ionen nach der ersten Beschleunigung im Inneren der Hochspannungselektrode (Terminal) umgeladen werden. Der Tandembeschleuniger benötigt für die erste Beschleunigungsstufe negative Ionen. Diese werden durch eine Hochspannung von einigen tausend Volt vorbeschleunigt und in die Hauptbeschleunigungsstrecke eingespeist. In der Mitte des Beschleunigers befindet sich das Terminal, das durch einen Van-de-Graaff-Generator auf ein positives elektrisches Potentialaufgeladen wird. Je nach Ausführung des Beschleunigers beträgt das Potential von 1 MV (Megavolt) bis 25 MV; auch noch höhere Spannungen werden erprobt. Im Inneren des Terminals durchläuft der Ionenstrahl eine Kohlenstoff-Folie oder eine durch differentielles Pumpen erzeugte Gasstrecke, den stripper (engl., „Abstreifer“). Hier werden die Teilchen durch Abstreifen von Elektronen in positive Ionen verwandelt. Dadurch werden sie in der zweiten Beschleunigungsstufe vom Terminal zum Austritt aus dem Beschleuniger (auf Erdpotential) weiter beschleunigt. Ohne die Ladungsänderung würde ein Teilchen durch die zweite Beschleunigungsstufe wieder auf die Eingangsgeschwindigkeit abgebremst. Es ist daher nicht möglich, mit diesem Beschleuniger Elektronen zu beschleunigen. Vorteile gegenüber dem einfachen Van-de-Graaff-Beschleuniger sind: die höhere erreichbare Ionenenergie bei gegebener Beschleunigungsspannung; mit der Spannung x MV kann zum Beispiel ein Protonenstrahl von 2x MeV erzeugt werden; die Anordnung beider „Enden“, Ionenquelle und Target, auf Erdpotential und nicht im Hochspannungsterminal. Einer der wichtigsten Nachteile ist die Einschränkung auf negative Ionen. Edelgase können somit nicht oder nur schwierig (Helium) beschleunigt werden, da sie keine negativen Ionen bilden und auch nicht als chemische Verbindung aus der Ionenquelle extrahiert werden können.

16 Dynamitron-Tandem-Beschleuniger Bochum (bis 50 MeV)

17 Dynamitron-Tandem-Beschleuniger Bochum (50 MeV)
Der Dynamitron-Beschleuniger [Cl60] hat einen Spannungsgenerator, der eine gewisse ¨Ahnlichkeit mit dem Kaskadengenerator hat. Um h¨ohere Spannungen bis zu 4 MV zu erreichen, befindet sich der Spannungsgenerator und das Be- schleunigungsrohr in einem mit einem speziellen Schutzgas gef¨ullten Druck- tank (siehe Abb. 2.2). L¨angs der Innenseite des Drucktanks befinden sich zwei isolierte Elektroden D (”driver electrodes“), die zusammen mit den außenlie- genden Spulen einen Resonanzkreis bilden. Der typische Frequenzbereich liegt zwischen 30 und 300 kHz. Die Elektroden D haben die Form von Halbzylin- dern. Die HF-Leistung wird ¨uber kapazitive Kopplung zu den Koppelelektro- den C ¨ubertragen. Die Koppelelektroden C sind durch eine Gleichrichterkette miteinander verbunden, die wie bei dem Cockcroft-Walton-Beschleuniger als Kaskadengenerator wirkt. Die resultierende Terminalspannung ist proportio- nal zur Zahl n der Gleichrichterstufen, de.wikipedia.org

18 Cockcroft-Walton-Beschleuniger (bis 750 KeV)
Cockcroft-Walton-Generator, historisch erster Typ eines Kaskadenbeschleunigers. Zur Erzeugung einer Hochspannung wird ein vielstufiges Gleichrichtersystem (Greinacher-Schaltung) verwendet. Ohne Belastung ergibt sich eine erreichbareSpannung von 2nU, wobei n die Anzahl der Stufen des Gleichrichtersystems und Udie Spitzenspannung des zugrundeliegenden Transformators darstellt. DiesesPotential fällt innerhalb eines Metallzylinders von ca. 1m Länge auf null ab; dies wird zur Beschleunigung positiver Ionen aus einer Quelle, die auf dem Potential derHochspannung liegt, verwendet. Die erzeugten Hochspannungen lagen bei den ersten Versuchen von J. D.Cockcroft und E. Walton (1932) bei ca. 400kV, verbesserte Versionen erreichen bis ca. 4MV. Mit einem solchen Beschleuniger wurden die ersten künstlichenKernumwandlungen durchgeführt. Cockcroft-Walton Generator (CERN) (de.wikipedia.org)

19 Cockcroft-Walton-Beschleuniger
• Wurde 1932 umgesetzt • Hochspannung wird durch Kaskadenschaltung nach Greinacher erzeugt • Maximal mögliche Spannung ca. 1,5MV (Begrenzung durch Koronaentladung) • Erhöhung der Spannungsfestigkeit durch Spannungsaufteilung und spezielle Elektroden • Rotationssymmetrisches Feld wirkt fokussierend (Rohrlinse) • Vorteil: relativ großer Ionenstrom (1-100mA) • Nachteil: Welligkeit der Hochspannung (ΔU/U ≈ 0,1-1%) • Wird noch als Injektor für größere Beschleuniger verwendet

20 Zyklotron (bis 800 MeV) 60-Zoll-Zyklotron des Lawrence Radiation Laboratory, Berkeley, 1939 (de.wikipedia.org)

21 Zyklotron Quelle: de.wikipedia.org

22 Lorentz-Kraft Lorentz kraft bei Bewegung negativer bzw. positiver Ladungsträger

23 Zyklotron

24 Betatron (Elektronenschleuder)
Historisches 6-MeV-Betatron (Deutschland ) (de.wikipedia.org)

25 Betatron (bis 315 MeV) Das Betatron ähnelt dem Zyklotron, da die beschleunigten Teilchen durch ein Magnetfeld auf einer spiralähnlichen Bahn gehalten werden. Es besitzt jedoch keine Beschleunigungselektroden; stattdessen ist das Magnetfeld zeitlich veränderlich. Nach dem Induktionsgesetz, einer der Maxwellschen Gleichungen, induziert eine zeitliche Änderung des magnetischen Flusses ein ringförmiges elektrisches Feld. Mit diesem werden die Elektronen beschleunigt. Die Energiegrenze des Betatrons liegt bei etwa 200 MeV, die Elektronen haben dann nahezuLichtgeschwindigkeit. Wurde durch LINAC verdrängt.

26 Mikrotron (bis 1,5 GeV) Klassisches Mikrotron[Bearbeiten] Das ursprüngliche Mikrotron ähnelt einem Zyklotron oder Betatron: es besitzt einen einzigen großen Ablenkmagneten mit homogenem Feld. Außerhalb dessen Mitte befindet sich eine Hochfrequenz-Beschleunigungsstrecke (Hohlraumresonator). Sowohl das Magnetfeld als auch Frequenz und Amplitude der Beschleunigungsspannung sind zeitlich konstant, die Energie der Teilchen nimmt daher bei jedem Durchlaufen der Beschleunigungsstrecke um einen konstanten Betrag zu. Dies erhöht auch den Impuls und damit die "magnetische Steifigkeit" der Teilchen, so dass die Umlaufbahn länger wird. Ist die Geschwindigkeit nicht mehr klein im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit, nimmt auch die Umlaufzeit zu. Trotzdem erreicht das Teilchen die Beschleunigungsstrecke immer wieder im richtigen Zeitpunkt ("in Phase" mit der Hochfrequenzspannung), wenn ihm jedesmal so viel Energie zugeführt wird, dass die Umlaufzeit um eine ganze Zahl von Perioden der Spannung anwächst. Man kann berechnen,[2] dass der Energiezuwachs pro Umlauf dazu mindestens gleich der Ruheenergie des Teilchens sein muss; deshalb eignet sich das Mikrotronprinzip nur für leichte Teilchen wie Elektronen (oder Positronen), aber nicht für Protonen oder noch schwerere Ionen. Mit klassischen Mikrotrons sind Energien bis zu etwa 50 MeV (Megaelektronenvolt) erreicht worden. Rennbahnmikrotron[Bearbeiten] Schema des Rennbahnmikrotrons Das Rennbahnmikrotron ist eine weiterentwickelte Form des Mikrotrons, benannt nach der Form ihrer Teilchenbahn. Der Magnet ist hier in zwei Hälften mit je 180 Grad Ablenkung aufgeteilt; dadurch wird Platz gewonnen, um dazwischen statt eines Einzelresonators einen ganzen Linearbeschleuniger unterzubringen (hinzu kommen zusätzliche Elektromagnete zur Fokussierung des Teilchenstrahls). Dies erlaubt einen größeren Energiegewinn pro Umlauf. Ein Beispiel für eine Rennbahnmikrotron-Anlage ist das Mainzer Mikrotron. Doppelseitiges Mikrotron[Bearbeiten] Das doppelseitige Mikrotron ist ein Rennbahnmikrotron, das zwei Linearbeschleuniger auf den gegenüberliegenden langen Seiten enthält. Die Ablenkung besorgen hier vier 90°-Ablenkmagnete. Dadurch wird erreicht, dass alle Umlaufbahnen in den Beschleunigungsstrukturen übereinander liegen. An den kurzen Seiten zwischen den Magneten sind die Umlaufbahnen weiterhin entsprechend ihrem Energieunterschied parallel gegeneinander verschoben. Beim harmonischdoppelseitigen Mikrotron sind die Frequenzen der Beschleuniger beider Seiten nicht gleich, stehen aber in einem ganzzahligen (harmonischen) Verhältnis zueinander.[3] Quelle: wikipedia.org Mainzer Mikrotron (http://wwwkph.kph.uni-mainz.de/B1/gallery.php)

27 Aufbau Mikrotron Schema des klassischen Mikrotrons
Schema des Rennbahnmikrotrons Quelle: de.wikipedia.org

28 Schematische Darstellung verschiedener Kreisbeschleuniger
a) Betatron b) Zyklotron c) Mikrotron d) Synchrotron Die graue Fläche wird jeweils von einem magnetischen Feld ausgefüllt.

29 Linearbeschleuniger (LINAC)
1. Wideröe-Struktur (β ≈ 0,005–0,05), 2. RFQ-Struktur (β ≈ 0,005–0,05), 3. Einzelresonator (β ≈ 0,04–0,2), 4. Alvarez-Struktur (β ≈ 0,04–0,6), 5. Wellenleiter-Struktur (β ≈ 1).

30 1. Wideröe-Struktur Wideröe-Struktur • Beschleunigung von Protonen und schweren Ionen auf β=0,005-0,05 • Durchlaufen mehrerer Beschleunigungsstrecken, die mit HF- Wechselspannung (f=10-30MHz) moduliert werden Æ Synchronisations- bedingung: • In Driftröhren kein Feld Æ keine Beschleunigung • Teilchen werden schneller Æ Länge L der Driftröhren muss größer werden • Länge der n-ten Driftröhre: • Nur kleine β, da sonst die Driftröhren zu lang werden • Teilchen-Pulse („bunchs“) Rolf Wideröe (* ; † ) Prinzip eines Linearbeschleunigers nach Ising und Wideröe, hier für negative Teilchen. Die blau gezeichneten „Teilchenpakete“ werden jeweils in der passenden Halbperiode der Wechselspannung beschleunigt (grüner Pfeil). (de.wikipedia.org)

31 2. RFQ-Struktur • Problem bei Wideröe: Teilchen müssen in Paketen mit bestimmter Länge und Frequenz eingebracht werden um optimal beschleunigt zu werden Lösung: RFQ-Struktur • Besteht aus sinusförmig modulierten um π/2-verschobenen Quadrupol- Elektroden • E-Feld-Komponente in z-Richtung • Bewirkt Fokussierung des Strahls in x- und y-Ebene, „Bunching“ des Strahls und Beschleunigung der bunchs in z-Richtung fokussiert, in einzelne Ionenbunche teilt und beschleunigt. Schematischer Aufbau eines Hochfrequenz-Quadrupols (Radio Frequency Quadrupole RFQ). a) Querschnitt mit momentaner Ladungs- und Feldverteilung Perspektivische Darstellung der radialen Modulation der Pole(„Vanes“).

32 2. RFQ-Struktur

33 4. Einzelresonator

34 4. Alvarez-Struktur Eine Alvarez-Struktur unterscheidet sich von einer Wiederőe-Struktur dadurch, dass sich alle Driftröhren in einem gemeinsamen, leitenden Tank befinden und das System als ganzes in einem TM010-artigen Mode erregt wird. Die beiden Enden einer jeden Driftröhre sind auf jeweils entgegensetztem Potential. Deshalb muss der Abstand zwischen den Driftröhren 0 sein, so dass sich die Teilchen immer gerade in der Mitte der Driftröhren befinden, wenn die Feldstärke in den Gaps abbremsend wirkt, siehe Abb Die Längen der Driftröhren (nicht der Abstand ihrer Zentren voneinander) ist ein weitgehend freier Parameter. Je länger sie sind, desto besser werden die Gaps genau dann durchlaufen, wenn die HF- Spannung ihren Maximalwert hat, aber dafür steigt die Funkengefahr im Gap.

35 5. Wellenleiter-Struktur
Standing wave Zur Weiterbeschleunigung von Elektronen, die schon annähernd Lichtgeschwindigkeit haben, eignet sich besonders gut eine fortschreitende Welle (Wanderwelle) in einem zylindrischen Hohlleiter; die Elektronen „surfen“ dann auf dem Wellenkamm.Genutzt wird die TM01-Mode.  Die Phasengeschwindigkeit der Welle, die in einem glatten Rohr größer als die Lichtgeschwindigkeit wäre, wird durch regelmäßig angebrachte kreisrunde Lochblenden ("Irisblenden") im nötigen Maß verringert. Ein solches Beschleunigungsrohr heißt auch Runzelröhre.[14][15] Die verbreiteten Elektronen-Linearbeschleuniger für medizinische Zwecke mit Endenergien von etwa 30 bis 50 MeV sind Wanderwellenbeschleuniger, ebenso der bisher energiestärkste Elektronenbeschleuniger der Welt (50 GeV, 3 km Länge) im Stanford Linear Accelerator Center. Quelle:

36 5. Wellenleiter-Struktur

37 Hohlraumresonator http://www.brodeck.de/ess/pages/linac.htm
WIE FUNKTIONIERT EIN HOHLRAUMRESONATOR? ANTWORT Hohlraumresonatoren (oder Kavitäten, englisch: cavities) sind die Teile eines Beschleunigers, in denen die Teilchen mit Hilfe elektrischer Felder beschleunigt werden. Dazu wird in einem besonders geformten Hohlraum eine elektromagnetische Welle mit hoher Frequenz angeregt. Die Form des Hohlraums und die Frequenz der Welle werden dabei so aufeinander abgestimmt, dass die Welle hin- und herreflektiert wird und sich eine stehende Welle ausbildet – es kommt zur Resonanz. Das ist vergleichbar mit dem Schwingen einer Gitarrensaite, die – einmal angezupft – lange Zeit in ihrer Resonanzfrequenz schwingt. Fliegt jetzt zur richtigen Zeit ein Teilchen durch die Cavity, so wird es von dem elektrischen Feld der Welle beschleunigt – ähnlich einem Wellenreiter, der auf einer Wasserwelle surft. Kommt ein Teilchen hingegen zur falschen Zeit durch die Cavity, wird es nicht beschleunigt oder gar abgebremst. Das ist der Grund dafür, dass die Teilchen in Teilchenbeschleunigern immer nur in Paketen beschleunigt werden können. Einschub für Fortgeschrittene: Je nach dem wie die Cavity gebaut ist, breiten sich die elektromagnetischen Felder in verschiedenen Moden, das heißt in verschiedenen Kombinationen und Ausrichtungen von elektrischen und magnetischen Feldern, in ihr aus. Für viele Anwendungen ist besonders die so genannte TM_{01}-Mode wichtig. Hierbei bildet sich auf der Mittelachse des Hohlraums – dort, wo die Teilchen fliegen – ein longitudinales elektrisches Feld aus, das zeitlich oszilliert. Die Teilchen, die mit der Oszillation in Phase sind, werden so beim Durchlaufen des Hohlraums beschleunigt. In viel älteren Beschleunigern, die noch bei niedrigeren Energien betrieben wurden, musste man die Beschleunigungsfrequenz an die Geschwindigkeit der Teilchen anpassen bzw. synchronisieren – daher auch der Name „Synchrotron“. Die Teilchen im LHC fliegen allerdings stets fast mit Lichtgeschwindigkeit, egal ob sie gerade die Einschussenergie von 450 Giga-Elektronenvolt haben oder die Höchstenergie von zurzeit 3,5 Tera-Elektronenvolt. Sie werden durch die Beschleunigung im LHC fast nicht mehr schneller, sondern nur noch schwerer – ein relativistischer Effekt, da nach der Relativitätstheorie Teilchen, die eine Masse haben, niemals die Lichtgeschwindigkeit erreichen können. Deshalb können in modernen Beschleunigern, die sehr hohe Energien erreichen, die Teilchen mit elektromagnetischen Feldern mit konstanter Frequenz beschleunigt werden. Beim LHC liegt die Frequenz bei 400 MHz.

38 Beschleunigung am Fermilab
Chicago/USA. ƒPhysiker Enrico Fermi, der 1942 an der Universität in Chicago den ersten Kernreaktor konstruierte. ƒ Hauptbeschleunigerring: Tevatron ƒ kleineres Oval: main-injector (BJ.1999) ƒ Entdeckungen am Fermilab: ƒ 1977: Existenz des bottom-Quarks ƒ 1995: top-Quark Accelerated in a MHz drift-tube linac, though five large tanks, to 116 MeV Side-coupled Cavity Linac

39 SLC – SLAC Linear Collider Bisher längster LINAC (3 km, bis 52 GeV)
Stanford Linear Accelerator Center Kann Elektronen bzw. Positronen bis auf 52 GeV Stanford Linear Accelerator Center, in Kalifornien; dort (und in Brookhaven) wurde das "charm quark" und das "tau lepton" entdeckt..

40 Elektronen-Linearbeschleuniger
Krebstherapie an einem medizinischen Elektronen-Linearbeschleuniger (de.wikipedia.org)

41 – RT involviert in 18/45 erfolgreichen Behandlungen d.h. 40%.
– OP/RT involviert in 40/45 erfolgreichen Behandlungen d.h. 90%

42 Synchrotron http://de.wikipedia.org/
Das Synchrotron (von synchron, "gleichzeitig") ist ein Typ von Teilchenbeschleunigern und gehört zu den Ringbeschleunigern. Geladene Elementarteilchen oder Ionen können darin auf sehr hohe (relativistische) Geschwindigkeiten beschleunigt werden, wodurch sie sehr hohe kinetische Energien erhalten. Synchrotrone wurden entwickelt, um über die mit Zyklotronen erreichbaren Energien hinauszukommen. • Beschleunigung durch HF-Resonatoren Zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung werden Speicherringe für Elektronen und Positronen gebaut Im LEP Tunnel lassen sich e+e- nicht auf höhere Energie als etwa GeV beschleunigen, das der Energieverlust zu gross wird. Um zu höherer Energie zu kommen… Im LEP Tunnel wird ein Protonenbeschleuniger, der LHC, installiert. Protonen lassen sich damit auf 7 TeV beschleunigen. Um e+e- auf höhere Energie zu beschleunigen, werden Linearbeschleuniger entwickelt.

43 Das Synchrotron DESY II (6 GeV Petra)
DESY: "Deutsches Elektronen Synchrotron in Hamburg (Deutschland); wies zum ersten mal "Gluonen" nach.

44 Synchrotronstrahlung
Geladene Teilchen strahlen bei der Ablenkung im Magnetfeld Synchrotronlicht ab. Da die abgestrahlte Energie umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Ruhemasse ist, ergibt sich nur bei Elektronen ein relevanter Effekt. (Hinterberger, Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik, Springer Verlag (2008), Seite 347) Speicherringe bieten auch die Möglichkeit, besondere Magnetstrukturen einzubauen, so genannte Wiggler und Undulatoren. Diese meterlangen Spezialmagnete bestehen aus einer Folge von sich abwechselnden Nord- und Südpolen. Durchlaufen die lichtschnellen Elektronenpakete diesen Magnetparcours, werden sie auf einen Slalomkurs gezwungen, bei dem sich die von ihnen abgegebene Strahlung in einer Richtung überlagert. Dadurch lässt sich die Intensität der abgegebenen Strahlung gegenüber normalen Ablenkmagneten um ein Vielfaches steigern. Synchrotronstrahlungsquellen Will man Synchrotronstrahlung künstlich erzeugen, so greift man heutzutage nicht mehr auf Synchrotrone zurück, sondern nimmt Speicherringe, da bei ihnen die Energie des Teilchenstrahls und somit die Intensität und das Spektrum der Synchrotronstrahlung konstant bleibt. Für die Erzeugung von Synchrotronstrahlung existiert eine ganze Reihe von Anlagen auf der Welt; in Deutschland sind dies ANKA in Karlsruhe, BESSY in Berlin, DELTA in Dortmund, ELSA in Bonn und HASYLAB in Hamburg. Man spricht von Quellen der ersten, zweiten, dritten und vierten Generation, die sich im Wesentlichen durch die Brillanz der ausgesendeten Strahlung unterscheiden.     Bei der ersten Generation wurde Synchrotronstrahlung von bestehenden Teilchenbeschleunigern der Teilchenphysik (Synchrotronen) erzeugt und verwendet.     In der zweiten Generation werden Synchrotronstrahlungsquellen ausschließlich zur Erzeugung der Strahlung gebaut. Dabei speichert man die beschleunigten Teilchen für mehrere Stunden in Speicherringen und erreicht damit konstante Arbeitsbedingungen. Die Erzeugung der Strahlung erfolgt in speziellen Magnetstrukturen, den Dipolmagneten und Wigglern.     Die dritte Generation bilden Beschleuniger mit Undulatoren. Mit diesen Magnetstrukturen ist die Erzeugung brillanterer Strahlung möglich als mit Wigglern.     Freie-Elektronen-Laser (FEL) stellen die vierte Generation von Strahlungsquellen dar. Erste Anlagen sind FELICITA am DELTA an der Universität Dortmund und der VUV-FEL am HASYLAB bei DESY in Hamburg. Es gibt auch natürliche Quellen für Synchrotronstrahlung: In der Astronomie tritt Synchrotronstrahlung immer dann auf, wenn sich ein heißes Plasma in einem Magnetfeld befindet. Beispiele für kosmische Synchrotronstrahlungsquellen sind Pulsare, Radiogalaxien und Quasare. Eine natürliche Quelle für Synchrotronstrahlung im All ist zum Beispiel der Jupiter, der laufend seine Monde mit dieser Art der Strahlung beschießt.

45 Synchrotronstrahlung
Synchrotronstrahlung hat eine Reihe interessanter Eigenschaften: breites, kontinuierliches Spektrum hohe Strahlungsintensität tritt gebündelt tangential zur Bewegungsrichtung der Teilchen aus sehr hohe Brillanz die Folgefrequenz und -dauer sind (in engen Grenzen) einstellbar exakte Berechenbarkeit des abgegebenen Spektrums die Strahlung ist kohärent (Grundlage für den Freie-Elektronen-Laser (FEL)) Strahlung ist polarisiert Quelle: de.wikipedia.org

46 Intersecting Storage Rings am Cern (bis 63 GeV)
Die waren zwei gegenläufige Protonen-Speicherringe mit etwa 300m Durchmesser am CERN. The Intersecting Storage Ring (ISR) was the worlds first high-energy hadron collider but as the name indicates it was not an accelerator since the particles were accelerated by the CERN Proton Synchrotron (PS). The protons (but also anti-protons, deuterium and alpha-particles) were brought from the PS to the ISR via two transfer tunnels to the two 940 m long storage rings in the ISR. The hadrons could be brought into collision at 8 intersection points around the rings. The maximum collision energy obtained was 63 GeV and this was a considerably higher value than at previous fixed-target machines. Unfortunately the discovery potenial of this unique machine was not used due to small low-budget experiments which did not cover a large enough solid angle and it was not until the end of its lifetime that large experiments such as the AFS were carried out. 

47 Speicherringe Quelle: de.wikipedia.org

48 Intersecting Storage Rings am CERN(bis 63 GeV)
Die waren zwei gegenläufige Protonen-Speicherringe mit etwa 300m Durchmesser am CERN. The Intersecting Storage Ring (ISR) was the worlds first high-energy hadron collider but as the name indicates it was not an accelerator since the particles were accelerated by the CERN Proton Synchrotron (PS). The protons (but also anti-protons, deuterium and alpha-particles) were brought from the PS to the ISR via two transfer tunnels to the two 940 m long storage rings in the ISR. The hadrons could be brought into collision at 8 intersection points around the rings. The maximum collision energy obtained was 63 GeV and this was a considerably higher value than at previous fixed-target machines. Unfortunately the discovery potenial of this unique machine was not used due to small low-budget experiments which did not cover a large enough solid angle and it was not until the end of its lifetime that large experiments such as the AFS were carried out. 

49 Tevatron (bis 2 TeV) am Fermilab
Das Tevatron ist ein Teilchenbeschleuniger des Fermilab in Batavia im US-Bundesstaat Illinois, der Protonen und Antiprotonen miteinander kollidieren lässt. Der Beschleuniger wurde 1983 in Betrieb genommen und war bis zum 30. September 2011 in Betrieb.[1]  1995 wurde am Tevatron die Existenz von Top-Quark-Paaren nachgewiesen. Bis zur Inbetriebnahme des Large Hadron Colliders (LHC) war das Tevatron der weltweit stärkste Teilchenbeschleuniger und der einzige Beschleuniger, der eine genügend hohe Energiemenge aufbringen kann, um Top-Quarks zu produzieren. 

50 Das Tevatron (bis 2 TeV) as Tevatron ist ein Teilchenbeschleuniger des Fermilab in Batavia im US-Bundesstaat Illinois, der Protonen und Antiprotonen miteinander kollidieren lässt. Der Beschleuniger wurde 1983 in Betrieb genommen und war bis zum 30. September 2011 in Betrieb.[1]  1995 wurde am Tevatron die Existenz von Top-Quark-Paaren nachgewiesen. Bis zur Inbetriebnahme des Large Hadron Colliders (LHC) war das Tevatron der weltweit stärkste Teilchenbeschleuniger und der einzige Beschleuniger, der eine genügend hohe Energiemenge aufbringen kann, um Top-Quarks zu produzieren. 

51 CERN LHC accelerator complex
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52 CERN LHC accelerator complex
Quelle und RFQ: 750 keV LINAC2: 50 MeV PSB: 1,4 GeV PS: 25 GeV SPS: 450 GeV LHC: 7 TeV (Schwerpunktsenergie)

53 Large Hadron Collider (Ziel 14 TeV)
Die Gesamtenergie in jedem der beiden gegensinnig umlaufenden Strahlen ist im Protonenmodus in der Größenordnung von 360 MJ. Dies entspricht der kinetischen Energie eines mit 155 km/h 200 m langen fahrenden ICE. Diese Energie genügt, um etwa eine halbe Tonne Kupfer zu schmelzen. Entspricht einer Energiemenge, wie sie in 90 kg TNT enthalten sind. Die gespeicherte Energie in den Dipolmagneten ist mit 11 GJ noch wesentlich höher. (Quelle: de.wikipedia.org)

54 Die Zukunft: Das FAIR-Projekt
Quelle:

55 Die Zukunft: Das FAIR-Projekt
Quelle:

56 Die Zukunft: Das FAIR-Projekt
Quelle:

57 Die Zukunft: ILC (500 bis 1000 GeV)
International Linear Collider Schematische Übersicht des geplanten ILC. Der International Linear Collider (ILC) ist ein zurzeit in der Planungsphase befindlicher Linearbeschleuniger für Elementarteilchen. Es ist jedoch bisher nicht klar, ob das Geld dafür zur Verfügung gestellt wird.[1][2] Als Standort wird die Präfektur Iwate im Norden Japans bevorzugt.[3] Es sollen Elektronen mit Positronen bei geplantenSchwerpunktsenergien von etwa 500 bis 1.000 GeV kollidieren. Diskutiert wird auch die Möglichkeit, mit einer niedrigen Energie zu beginnen und diese später durch eine Verlängerung des Beschleunigers zu steigern. Die höchste Energie für solche Kollisionen lag bisher bei 209 GeV am LEP. Parallel werden am CERN Studien zur Realisierbarkeit des Linearbeschleunigers Compact Linear Collider (CLIC) durchgeführt, der auf einer anderen Technologie basiert. Dieser würde bei gleicher Länge eine höhere Schwerpunktenergie ermöglichen, benötigt aber mehr Entwicklungsarbeit als der ILC. Inhaltsverzeichnis   [Verbergen]  1 Der Beschleuniger 2 Forschungsziele 3 Quellen 4 Weblinks Der Beschleuniger[Bearbeiten] Anders als bei Ringbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) lassen sich beschleunigte Teilchen nur einmal verwenden, es müssen also ständig neue Teilchen beschleunigt werden. Dazu werden zunächst alle 200 msinsgesamt 1312 Gruppen von Elektronen („Bunches“) aus einer Photokathode freigesetzt. Diese werden auf 5 GeV beschleunigt und gelangen in einen Speicherring („Damping Ring“), in dem sie innerhalb von 200 ms komprimiert werden. Dies ist nötig, um die geplanten hohen Kollisionsraten zu erreichen. Anschließend werden die Elektronen an ein Ende des langen Beschleunigertunnels geleitet und von dort aus in Richtung Kollisionspunkt beschleunigt. Nach der Beschleunigungsstrecke werden die Elektronen durch einen Undulator geleitet und setzen dabei Gammastrahlung frei. Diese wird auf eine Titanplatte geleitet, wo über Paarerzeugung Positronen und Elektronen erzeugt werden. Die Positronen werden ebenfalls in einen Speicherring geleitet und innerhalb von 200 ms verdichtet. Danach werden sie zum anderen Ende des Beschleunigertunnels geführt und von dort aus beschleunigt. Sie erreichen den Kollisionspunkt 200 ms nach den Elektronen, mit denen sie erzeugt wurden - sie treffen also auf die Elektronen des nächsten Zyklus. Zwischen den Beschleunigungsstrecken und dem Kollisionspunkt werden für Elektronen und Positronen jeweils ein 2,2 km langes „beam delivery system“ gebaut, das die Teilchenpakete auf eine Länge von 0,3 mm, eine Breite von 700 nm und eine Höhe von 6 nm komprimiert.[4] Die Beschleunigertunnel, der Hauptteil des ILCs, soll mit einer Länge von bis etwa 31 km mehr als zehn mal länger als die des Linearbeschleunigers SLAC in Kalifornien sein. Mit der Fertigstellung ist nicht vor 2019 zu rechnen[5]. Diesupraleitende Technologie für den Beschleuniger wird bereits an dem Freie-Elektronen-Laser FLASH am DESY in Hamburg erprobt und wird auch in dem europäischen Röntgenlaserprojekt XFEL Verwendung finden. Geplant ist, den ILC mit zwei Detektoren auszurüsten. Da die Teilchenstrahlen nur an einem Punkt kollidieren, werden die Detektoren seitlich verschiebbar sein und können sich somit mit den Messungen abwechseln. Forschungsziele[Bearbeiten] Nach Ansicht der Vertreter von DESY soll der International Linear Collider die Entdeckungen des LHC vervollständigen.[6] Da im ILC Leptonen, also elementare Teilchen beschleunigt werden, ist im Vergleich zum LHC die Energie viel präziser einstellbar, weshalb genauere Untersuchungen der Teilcheneigenschaften möglich sind. Als Nachteil ist die erreichbare Energie niedriger. Im Gegensatz zum LHC soll der Schwerpunkt des wissenschaftlichen Programms daher nicht bei der Entdeckung neuer schwerer Teilchen, sondern bei Präzisionsmessungen der Eigenschaften bereits gefundener Teilchen liegen. Insbesondere sollen am ILC erstmals Top-Quarks und Higgs-Bosonen an einem Elektron-Positron-Beschleuniger erzeugt werden. Damit ließen sich ihre Wechselwirkungen mit anderen Teilchen wesentlich genauer bestimmen als am LHC. Zu den Zielen des ILC gehört aber auch die Suche nach bislang unentdeckten und für den LHC unsichtbaren Teilchen. Quellen: wikipedia.org Quellhttp://www.linearcollider.org/images/ilcweb_564_1.jpge:

58 Livingstonplot

59 Die Zukunft: ILC (500 bis 1000 GeV)
In past 50 years, about 1/3 of Physics Nobel Prizes are rewarding work based on or carried out with accelerators. Quellhttp://www.linearcollider.org/images/ilcweb_564_1.jpge:

60 Particle Accelerators Around the World
Electrons Stretcher Ring/Continuous Beam facilities ELSA (Bonn U), JLab, MAMI (Mainz U), MAX-Lab, SLAC Synchrotron Light Sources, Storage Rings ALBA, ANKA, ALS (LBL), APS (ANL), AS, ASTRID (ISA), ASTRID2 (ISA), BESSY II, CAMD (LSU), CeBeTeRad, CHESS (Cornell Wilson Lab), CLS (U of Saskatchewan), DELTA (U of Dortmund), ELBE (HZDR), Elettra, ELISA (ISA),ELSA (Bonn U), ELU-6e, ESRF, HASYLAB (DESY), HLS, INDUS (CAT), MAX-Lab, MLS, LNLS, NSLS, PAL, SESAME, SLS (PSI), SPEAR (SSRL, SLAC), SOLEIL, SPring-8, SRC (U of Wisconsin), SSRF, SURF III (NIST), TPS, TUNL Other BATES, IAC, Neptune, PEGASUS, PITZ, S-DALINAC, UNAM, WMU Protons ARRONAX, 88" Cyclotron (LBL), CERI, CNA, CNL (UC DAVIS), COSY (FZ Jülich), ININ, ISIS, IUCF, KEK, LHC (CERN), iThemba, PS (CERN), PSI, RHIC (BNL), SPS (CERN), TRIUMF, TSL Light and Heavy Ions ARRONAX, 88" Cyclotron (LBL), AGOR, ANSTO, ANU, ASTRID (ISA), CENPA, CMAM, CNL (UC DAVIS), ATLAS (ANL), CERI, CRYRING (MSL), CYCLONE, ESSB, GANIL, GSI, HISKP, ININ, ISNAP, IUCF, JYFL, LAFN, LAC, LHC(CERN), LHE Synchrophasotron / Nuclotron (JINR), LNL (INFN), LNS (INFN), Maier-Leibnitz-Laboratorium, MIBL, MIC, MPI-HD, iThemba, ORNL, OUAL, PSI, RHIC (BNL), RIBRAS, RUBION, SNS, SPS (CERN), TAMU, TANDAR, TSL,TUNL, U-400 / U-400M (JINR), UAC, UMASS, UNAM, VECC Collider BEPC, CESR, DAFNE (LNF), LHC (CERN), RHIC (BNL), SLC (SLAC), TESLA (DESY), Tevatron (FNAL), VEPP-3, VEPP-4M, VEPP-2000 (BINP)

61 Geschichte der Beschleuniger im Detail
1873 Veröffentlichung von ”Treatise on Electricity and Magnetism“ (J. C. Maxwell) 1886 Karlsruhe: erster Nachweis elektromagnetischer Wellen (H. Hertz) 1895 Würzburg: Entdeckung der R¨ontgenstrahlung (W. C. R¨ontgen) 1908 erste Theorie der Synchrotronstrahlung (G. A. Schott) 1896 Paris: Entdeckung der Radioaktivität (A. H. Becquerel) 1910 Manchester: Entdeckung des Atomkerns (E. Rutherford) 1920 Zürich: erster Kaskaden-Generator (H. Greinacker) 1922 Grundidee des Betatrons patentiert (J. Slepian) 1924 Konzept des Linearbeschleunigers publiziert (G. Ising) 1928 Aachen: erster Linearbeschleuniger (R. Wideröe) 1929 Prinzip des Zyklotrons (E. O. Lawrence, N. Edlefsen) 1931 Princeton: erster Van-de-Graaf-Generator (van de Graaf) 1931 Berkeley: erstes Zyklotron (E. O. Lawrence, M. S. Livingston) 1932 Cambridge: Cockroft-Walton-Generator, erste Kernreaktion (J. Cockroft, E. Walton) 1937 Stanford University: Erfindung des Klystrons (W. W. Hansen, R. Varian, S. Varian) 1940 University of Illinois: erstes Betatron (D. W. Kerst, R. Serber) 1943 Prinzip des Speicherrings (”Kernmühle“) patentiert (R. Wideröe) 1944 Prinzip des Mikrotrons publiziert (V. I. Veksler) 1945 Prinzip des Synchrotrons publiziert (E. M. McMillan, V. I. Veksler) 1946 Woolwich: erstes Elektronen-Synchrotron (F. K. Goward, D. E. Barnes) 1947 Stanford University: erster Elektronen-Linearbeschleuniger (E. L. Ginzton et al.)

62 Geschichte der Beschleuniger im Detail
1947 New York: erste direkte Beobachtung von Synchrotronstrahlung (F. R. Elder) 1947 Studie über Protonen-Synchrotron (M. L. Oliphant) 1948 Berkeley: erster Protonen-Linearbeschleuniger (L. Alvarez) 1949 Theorie der Synchrotronstrahlung (J. Schwinger) 1950 Prinzip der ”starken Fokussierung“ patentiert (N. Christophilos) 1953 Birmingham: erstes Protonen-Synchrotron in Brookhaven (M. L. Oliphant) 1952 erste Publikation zur ”starken Fokussierung“ (E. D. Courant et al.) 1953 Stanford University: erster Undulator (H. Motz) 1957 Palo Alto: ”Ubitron“, Vorläufer des Freie-Elektronen-Lasers (R. M. Phillips) 1961 Frascati: erster Elektronen-Positronen-Speicherring (B. Touschek) 1961 Washington, D.C.:”SURF I“, erste parasitäre Nutzung von Synchrotronstrahlung 1965 Prinzip des Energy Recovery Linac publiziert (M. Tigner) 1968 University of Wisconsin: erste dedizierte Synchrotronstrahlungsquelle” Tantalus I“ 1971 Prinzip des Freie-Elektronen-Laser publiziert (J. M. J. Madey) 1977 Stanford University: erster Freie-Elektronen-Laser (J. M. J. Madey et al.) 2000 DESY/Hamburg: ”TTF“, erster Freie-Elektronen-Laser im UV-Bereich (J. Roßbach et al.) 2000 Jeffersen Lab: erster Energy Recovery Linac (G. Neil et al.) 2006 Berkeley: 1 GeV Elektronen mit Laser-Plasma-Beschleunigung (W. Leemans et al.) 2009 SLAC: ”LCLS“ erster Freie-Elektronen-Laser in Röntgenbereich (J. Galayda et al.)

63 Quellen Literatur: K. Wille, Physik der Teilchenbeschleuniger und Synchrotronstrahlungsquellen, Teubner Verlag (1992, Neuauflage 2002) Hinterberger, Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik, Springer Verlag (2008) Rüdiger Schmidt, Einführung in Physik und Technik der Teilchenbeschleuniger de.wikipedia.org


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