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Kapitel 4 Rüdiger Schmidt (CERN) – Darmstadt TU - Februar 2010 - Version 2.3 Entwicklung der Beschleuniger und Beschleunigertypen.

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1 Kapitel 4 Rüdiger Schmidt (CERN) – Darmstadt TU - Februar Version 2.3 Entwicklung der Beschleuniger und Beschleunigertypen

2 2 Übersicht Gleichspannungsbeschleuniger HF – Beschleuniger Linearbeschleuniger Zyklotron Synchrotron Speicherring Beispiel eines Beschleunigerkomplexes am CERN: LEP / LHC und Vorbeschleuniger

3 3 Gleichspannungsbeschleuniger: Cockcroft–Walton und Van de Graaff Generator Im Jahre 1929/30 begann J.D.Cockcroft und E.T.S.Walton (Cavendish Labor, E.Rutherford) als auch R.J.Van de Graaff (Princeton) mit der Arbeit Hochspannungsgeneratoren, die eine Spannung bis zu 10 MV erreichten. The tandem Van de Graaff accelerator at Western Michigan University is used mainly for basic research, applications and undergraduate instruction.

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5 5 Vom Gleichspannungsbeschleuniger zum HF Beschleuniger Die Grenze von Hochspannungsanlagen liegt bei einigen Millionen Volt. Die Anlagen werden für höhere Energie immer aufwendiger, und bei höherer Spannung kommt es zu Funkenüberschlägen. Vorschlag vom Schweden Ising 1924, zur Beschleunigung anstatt Gleichspannung schnell wechselnde Hochfrequenzspannung zu benutzen. Der Norweger Wideröe 1928 testet erfolgreich den ersten Linearbeschleuniger, der auf diesem Prinzip beruht. Heute arbeiten fast alle Beschleuniger mit Hochfrequenzspannung zur Beschleunigung

6 6 Beschleunigung mit einem hochfrequenten elektrischen Feld Zeitlich veränderliche Spannung: Ut()U 0 sin2 f rf t Frequenz : f rf 100MHz Maximale Spannung: U V U(t) Zeit Spannung

7 7 Linearbeschleuniger (LINAC) Teilchen- quelle ~ l1l1 l2l2 l3l3 l4l4 l5l5 l6l6 l7l7 Driftröhren aus Metall HF-Sender mit fester Frequenz Teilchen treten aus der Quelle aus und werden vom Potential der ersten Driftröhre beschleunigt Während die Teilchen durch die erste Driftröhre laufen, kehrt sich das Vorzeichen des Potentials um Teilchen treten aus der ersten Driftröhre aus und werden durch das Potential der zweite Driftröhre beschleunigt Da die Geschwindigkeit der Teilchen steigt, wird der Abstand zwischen zwei Röhren grösser

8 + lili + Energie des Teilchens nach der Röhre i: dabei ist U 0 die maximale Spannung des HF Senders, und s die mittlere Phase mit der das Teilchen die Strecke zwischen den Röhren passiert. Konsequenz: es lässt sich kein kontinuierlicher Strahl beschleunigen, die Teilchen werden im Paketen (Bunch) beschleunigt (Bunchlänge von weniger als 1mm bis zu 1m)

9 Linearbeschleunigers am FERMILAB 1971, upgraded in 1993 Linac can accelerate beam to 400 MeV Low energy end of the Fermilab linac is an Alvarez style drift tube linac. The accelerating structures are the big blue tanks shown in the photo. The five tanks of the low energy end take the beam from 750 KeV to 116 MeV. The resonant frequency of the cavities is 200 MHz.

10 Struktur eines Linearbeschleunigers am FERMILAB

11 11 Standing waveTravelling wave Hohlraumresonantor (cavity)

12 12 Kreisbeschleuniger: Zyklotron Für ein Teilchen dass sich senkrecht zum Magnetfeld bewegt: daraus ergibt sich eine Kreisbewegung des Teilchens: Gleichgewicht zwischen Lorentzkraft und Zentrifugalkraft: z x s v B F Die Zyklotronfrequenz ist unabhängig von Geschwindigkeit und Energie des Teilchens Bei zunehmender Energie und Geschwindigkeit läuft das Teilchen mit grösserem Radius im Magnetfeld um

13 13 Kreisbeschleuniger: Zyklotron Die Zeit für einen Umlauf ist konstant, daher ist auch die Frequenz der elektrischen Feldes für die Beschleunigung konstant.

14 14 Vertikale Fokussierung im Zyklotron People just got on with the job of building them. Then one day someone was experimenting The Figure shows the principle of vertical focusing in a cyclotron In fact the shims did not do what they had been expected to do Nevertheless the cyclotron began to accelerate much higher currents E.Wilson Lectures 2001

15 15 Beispiel für die Parameter eines Protronenzyklotron

16 16 E.O Lawrence – Erfinder des Zyklotrons The inventor of the cyclotron, E. O. Lawrence, and his student E. McMillan, one of the two inventors of the principle of phase stability show the accelerating point at the entrance to a screened semi-circular electrode structure. www4.tsl.uu.se/~kullander/Nobel/index.html

17 17 Isochronzyklotron Wenn die Geschwindigkeit des Teilchens wächst, muss das Magnetfeld ebenfalls mit dem Radius anwachsen:

18 Zyklotron am CERN

19 Zyklotron am PSI Medizin-Zyklotron des PSI wurde für die spätere Anwendung der Protonentherapie in Spitälern entwickelt, wiegt 90 t und hat einen Durchmesser von 3,2 m Protonen mit 60 Prozent der Lichtgeschwindigkeit Supraleitenden Spulen Physikern und Ingenieuren der Michigan State University, des PSI und der Firma ACCEL Instruments GmbH Ein zweites derartiges Zyklotron ist für das erste klinische Protonentherapie- Zentrum in Europa, das in München gebaut wird, bei Accel zurzeit in der Fertigung. w.ethlife.ethz.ch/images/psi_zyklotron- l.jpg&imgrefurl=http://www.ethlife.ethz.ch/articles/ news/psi_zyklotron.html&h=1004&w=800&sz=405 &tbnid=mw0NqgE2g2cX9M:&tbnh=149&tbnw=118 &hl=de&start=2&prev=/images%3Fq%3Dzyklotron %2Bpsi%26svnum%3D10%26hl%3Dde%26lr%3D %26sa%3DG

20 20 Superconducting Cyclotron and Fast Proton Beam Scanning for Hadron Therapy Advantages of a Cyclotron Max. energy 250 MeV with fast energy variation by energy selection system High availability / up-time Reasonable investment / operating cost Fast and simple maintenance procedures, small operator group Low activation Advantages Using sc Magnet Coils Make use of achievable high fields in larger volume to increase gap size over full radius -> avoid non- linearities -> improved extraction efficiency to larger than 80% No ohmic losses of Cu-coils -> less rated power needed and reduced electrical consumption Closed cycle LHe operation -> easy maintenance Warm access as in a normalconducting cyclotron

21 21 Kreisbeschleuniger: Synchrotron Mit einem Zyklotron oder Betatron ist die Energie der Teilchen begrenzt Man kann keine beliebig grosse Magnete bauen Das Magnetfeld ist auf 1-2 Tesla (normalleitende Spule), bzw T (supraleitende Spule) begrenzt Im Betatron kann die Beschleunigung nur über einen Teil eines Magnetzyklus erfolgen Um hohe Energien zu erreichen, wurde das Synchrotron entwickelt Das Synchrotron ist der am meisten verbreitete Beschleunigertyp Das Synchrotron ist ein Kreisbeschleuniger, in dem die Teilchen viele Umläufe machen Im Synchrotron wird das Magnetfeld erhöht, und gleichzeitig werden die umlaufenden Teilchen beschleunigt Die Teilchenbahn bleibt (ungefähr) konstant

22 22 Entwicklung des Synchrotrons Vorgeschlagen 1943 von M.O.Oliphant Entwicklung etwa gleichzeitig 1945 vom E.M. McMillan an der Universität von Kalifonien und V. Veksler in der Sowjetunion Erstes funktionierendes Synchrotron (proof of principle) in England (Birmingham) von F.Goward und D.Barnes Energiegewinn durch elektrisches Feld, das Magnetfeld wird synchron dazu erhöht Zeit Magnetfeld 14 GeV Injektion 450 GeV Extraktion 14 sec Zyklus Beispiel: CERN-SPS Protonensynchrotron Injektion Strahlintensität Extraktion

23 23 Aufbau des Synchrotrons Komponenten eines Synchrotrons: Ablenkmagnete Magnete zur Fokussierung Injektionsmagnete (gepulst) Extraktionsmagnete (gepulst) Beschleunigungsstrecke Vakuumsystem Diagnostik Kontrollsystem Stromversorgungsgeräte

24 24 CERN Protonensynchrotron (CERN-PS) gebaut 1959

25 25 Typical Synchrotron Magnet

26 26 Beschleunigung im Protonensynchrotron – CERN SPS I

27 27 Beschleunigung im Protonensynchrotron – CERN SPS II

28 28 Kreisbeschleuniger: Speicherring Der Speicherring ist ein Sonderfall eines Synchrotrons Die Teilchen werden in der Regel beschleunigt, und für lange Zeit (Stunden, oder sogar Tage) gespeichert Wichtigste Anwendung von Speicherringen Erzeugung von Synchrotronstrahlung Erzeugung von neuen Teilchen ElektronenPositronen LEP: Schwerpunktsenergie = 200 GeV Der grösste Kreisbeschleuniger war LEP. LEP wurde nach 12 Jahren Betriebszeit Ende 2000 abgeschaltet. In den LEP Tunnel mit einer Länge von etwa 27 km wurde der supraleitender Protonenbeschleuniger LHC installiert. Protonen LHC: Schwerpunktsenergie = GeV

29 29 Um zu hohen Energien zu beschleunigen…..Beispiel LEP Beschleunigungsstrukturen (Hochfrequenz Cavities) werden in den meisten Beschleuniger benötigt Normalleitende Cavities aus Kupfer: 1-2 MV/m lassen sich routinemässig erreichen. Mit gepulsten Cavities (z.B. SLAC) kommt man wesentlich höher – zwischen MV/m (in der Entwicklung) Supraleitenden Cavities: LEP (CERN – 2001): 5-8 MV/m ILC : etwa 35 MV/m Die Endenergie der e+ und e- Strahlen vom LEP Collider ist 100 GeV. Wenn der Beschleuniger als LINAC mit einer Technologie, die vor 15 Jahren zur Verfügung stand, gebaut worden wäre, hätte er eine Länge von: L = 100 GeV / 2.5 MeV/m = m für jeden der beiden Beschleuniger für Elektronen und Positronen – d.h. 80 km. Ausserdem wären die supraleitenden Cavities wesentlich teurer geworden. Elektronenlinac 40 kmPositronenlinac 40 km Schwerpunktsenergie im Zentrum = 200 GeV

30 30 LEP Die Teilchen laufen bei jedem Umlauf durch die Beschleunigungsstruktur. Ein Umlauf dauert 89 s. In einer Sekunde macht ein Teilchen Umläufe, und läuft bei jedem Umlauf durch die Beschleunigungsstrecke. Während der Beschleunigung von 20 GeV auf 100 GeV wird das Magnetfeld in allen Ablenkmagneten von Tesla auf Tesla hochgefahren. Die Magnetrampe dauert einige Minuten. LEP - Umfang 26.8 km etwa 4 Bunche / Strahl eine Vakuumkammer

31 31 Magnetrampe bei LEP

32 32 Beschleunigung im Kreisbeschleuniger Aus dieser Abschätzung sieht man, das pro Umlauf eine Spannung von einigen 10 kV ausreichen würde, um ein Teilchen von 20 GeV auf 100 GeV zu beschleunigen. In LEP haben die Beschleunigungsstrukturen jedoch eine Spannung von etwa 2-3 GV (!!) => Abstrahlung von Synchtrotronstrahlung

33 33 Konsequenzen der Abstrahlung von Synchrotronstrahlung Zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung werden Speicherringe für Elektronen und Positronen gebaut Im LEP Tunnel lassen sich e+e- nicht auf höhere Energie als etwa 100 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.

34 34 LHC Parameter The force on a charged particle is proportional to the charge, and to the vector product of velocity and magnetic field: Maximaler Impuls 7000 GeV/c Radius 2805 m Ablenkfeld B = 8.33 Tesla Magnetfeld mit Eisenmagneten maximal 2 Tesla, daher werden supraleitende Magnete benötigt z x s v B F

35 35 The CERN accelerator complex: injectors and transfer High intensity beam from the SPS into LHC at 450 GeV via TI2 and TI8 LHC accelerates to 7 TeV LEIR CPS SPS Booster LINACS LHC TI8 TI2 Ions Protons Beam 1 Beam 2 Beam size of protons decreases with energy: 2 = 1 / E Beam size large at injection Beam fills vacuum chamber at 450 GeV

36 36 CERN LHC accelerator complex ????

37 37 ANHANG

38 38 Beschleunigung durch ein zeitlich veränderliches Magnetfeld: Betatron Ein zeitlich veränderliches Magnetfeld induziert im Vakuum ein elektrisches Feld Vakuumkammer Spulenwindung Eisenjoch nur im Script

39 39 Induktionsgesetz Ein zeitlich veränderliches Magnetfeld induziert in einem Leiter einen elektrischen Strom nur im Script

40 40 Betatron Das erste Betatron wurde von D.W.Kerst 1940 an der Universität Illinois gebaut. Elektronen wurden bis 2.3 MeV beschleunigt. Wenig später wurde ein Betatron mit einer Energie von bis zu 20 MeV realisiert. Heute werden Betatrons insbesonders für medizinische Anwendungen benutzt. Das Spulenfeld wird mit einem Wechselstrom erzeugt nur im Script

41 41 Parameter eines Betatron nur im Script


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