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Beschleuniger und Mechanismen Seminar Kern- und Teilchenphysik Hüseyin Tepeli VORTRAG am 19.11.2013.

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1 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

5 Welche Teilchen? Bis heute: Elektronen/Positronen Protonen/Antiprotonen Ionen von Deuteronen bis zum Uran In der Zukunft: -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 industry1500 Accelerators in non-nuclear research 1000 Radiotherapy5000 Medical isotopes production200 Hadron therapy 20 Synchrotron radiation sources70 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

10 Beschleunigertypen 1.Direktbeschleuniger: Arbeiten mit hoher Gleichspannung. 2.Linearbeschleuniger: Arbeiten mit Hochfrequenz (Radio Frequency = RF). 3.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) Rosenau-Labor, Tübingen (Quelle:

13 Van-de-Graaf-Beschleuniger Schematischer Aufbau (Quelle: de.wikipedia.org)

14 Tandem van-de-Graa Beschleuniger Quelle:

15 Tandem van-de-Graa Beschleuniger Tandembeschleuniger im Maier-Leibnitz-Laboratorium in Garching bei München + Stripperfolie (Rechts) (http://de.wikipedia.org/wiki/Tandembeschleuniger)

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

17 Dynamitron-Tandem-Beschleuniger Bochum (50 MeV) de.wikipedia.org

18 Cockcroft-Walton-Beschleuniger (bis 750 KeV) Cockcroft-Walton Generator (CERN) (de.wikipedia.org)

19 Cockcroft-Walton-Beschleuniger

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)

26 Mikrotron (bis 1,5 GeV) Mainzer Mikrotron (http://wwwkph.kph.uni-mainz.de/B1/gallery.php)

27 Aufbau Mikrotron Schema des klassischen MikrotronsSchema 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 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 Schematischer Aufbau eines Hochfrequenz-Quadrupols (Radio Frequency Quadrupole RFQ). a) Querschnitt mit momentaner Ladungs- und Feldverteilung b)Perspektivische Darstellung der radialen Modulation der Pole(Vanes).

32 2. RFQ-Struktur

33 4. Einzelresonator

34 4. Alvarez-Struktur

35 5. Wellenleiter-Struktur Standing wave Quelle:

36 5. Wellenleiter-Struktur

37 Hohlraumresonator

38 Beschleunigung am Fermilab 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)

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

41

42 Synchrotron

43 Das Synchrotron DESY II (6 GeV Petra)

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 Eekt. (Hinterberger, Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik, Springer Verlag (2008), Seite 347)

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)

47 Speicherringe Quelle: de.wikipedia.org

48 Intersecting Storage Rings am CERN(bis 63 GeV)

49 Tevatron (bis 2 TeV) am Fermilab

50 Das Tevatron (bis 2 TeV)

51 CERN LHC accelerator complex ????

52 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) Quellhttp://www.linearcollider.org/images/ilcweb_564_1.jpge:

58 Livingstonplot

59 Die Zukunft: ILC (500 bis 1000 GeV) Quellhttp://www.linearcollider.org/images/ilcweb_564_1.jpge:

60 Particle Accelerators Around the World Electrons Stretcher Ring/Continuous Beam facilities ELSAELSA (Bonn U), JLab, MAMI (Mainz U), MAX-Lab, SLACBonn UJLabMAMIMainz UMAX-LabSLAC Synchrotron Light Sources, Storage Rings ALBAALBA, 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, TUNLANKAALSLBLAPSANLASASTRIDISAASTRID2ISABESSY IICAMDLSUCeBeTeRadCHESSCornell Wilson LabCLSU of SaskatchewanDELTAU of DortmundELBEHZDRElettraELISAISAELSABonn UELU- 6eESRFHASYLABDESYHLSINDUSCATMAX-LabMLSLNLSNSLSPALSESAMESLSPSISPEARSSRLSLACSOLEILSPring- 8SRCU of WisconsinSSRFSURF IIINISTTPSTUNL Other BATESBATES, IAC, Neptune, PEGASUS, PITZ, S-DALINAC, UNAM, WMUIACNeptunePEGASUSPITZS-DALINACUNAMWMU Protons ARRONAXARRONAX, 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, TSL88" CyclotronLBLCERICNACNLUC DAVISCOSYFZ JülichININISISIUCFKEKLHCCERNiThembaPSCERNPSIRHICBNLSPSCERNTRIUMFTSL Light and Heavy Ions ARRONAXARRONAX, 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, VECC88" CyclotronLBLAGORANSTOANUASTRIDISACENPACMAMCNLUC DAVISATLASANLCERICRYRING (MSL)CYCLONEESSBGANILGSIHISKPININISNAPIUCFJYFLLAFNLACLHCCERNLHE Synchrophasotron / NuclotronJINRLNL (INFN)LNS (INFN)Maier-Leibnitz-LaboratoriumMIBLMICMPI- HDiThembaORNLOUALPSIRHICBNLRIBRASRUBIONSNSSPSCERNTAMUTANDARTSLTUNLU-400U- 400MJINRUACUMASSUNAMVECC Collider BEPCBEPC, CESR, DAFNE (LNF), LHC (CERN), RHIC (BNL), SLC (SLAC), TESLA (DESY), Tevatron (FNAL), VEPP-3, VEPP-4M, VEPP-2000 (BINP)CESRDAFNELNFLHCCERNRHICBNLSLCSLACTESLADESYTevatronFNALVEPP-3VEPP-4MVEPP-2000BINP

61 Geschichte der Beschleuniger im Detail 1873 Veröentlichung 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: Erndung 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 Jeersen 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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