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

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 • 1950 Christofilos formuliert Konzept der Starken Fokussierung E.O. Lawrence Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck

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

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 V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck

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 V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck

Fixed Target vs Kollider für Protonen (mpc2 ~ 1 GeV): Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck

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

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

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 V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck

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 V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck

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

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 V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck

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

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

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

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

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

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 V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck

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

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

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

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

Der PEP-Beschleuniger am SLAC Luminosität ~ 8x1033 /cm2 s = 8 /nb s bb Wirkungsquerschnitt ~ 1nb Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck

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 V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck

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 V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck

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

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

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

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 • 1 - 2 Großdetektor(en) zur Teilchenphysik • Röntgenlaser Wellenlänge von 5 bis 0.05 Nanometer • Experimentierkomplex für Materialforschung, Biologie, Medizin • Beschleunigertunnel mit 5 m Durchmesser • 20.000 supraleitende Beschleunigerstrukturen • Betriebstemperatur 2 K Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck

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

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

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

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) 010001-1, http://pdg.lbl.gov • SLAC Linear Accelerator Center, http://www2.slac.stanford.edu/vvc/accelerators/ • CERN, http://public.web.cern.ch/Public/ACCELERATORS/ accintro.html Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck

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