Strahlführung polarisierter und unpolarisierter Teilchen Sehr geehrte Damen und Herren, Unserem Thema entsprechend wollen wir heute näher auf die Strahlführung von polarisierten und unpolarisierten Teilchenstrahlen in Beschleunigern eingehen. Von Ireneus Henning unter Anleitung von Dr. Gerhard Reicherz

Was sind polarisierte Teilchen-Strahlen ß-Strahlung Protonen-Strahlung Ionen-Strahlung Neutronen-Strahlung -Spin -Bahndrehimpuls -Spin und Magnetisches Moment -Ausrichtung im Magnetfeld -Neutronen Ausrichtung durch ferromagnetischen Neutronenspiegel -Ionen Stern-Gerlach-Versuch

Wozu polarisieren? Untersuchung magnetischer Strukturen Erforschen verschiedener Kernzustände Reaktionsausbeute bei Kernfusion Untersuchung von Quarks und Protonen Nun stellt sich natürlich die Frage wozu man diese polarisierten Teilchen nutzen möchte. - Spinpolarisierte Neutronen können verwendet werden, um die magnetische Struktur von Festkörpern zu untersuchen. - In der Kernphysik helfen Streu- und Kernreaktionsexperimente mit polarisierten Teilchen, Einzelheiten bestimmter Zustände der Kerne zu erforschen, da die Wirkungsquerschnitte der Prozesse von der Spinausrichtung abhängen. - Möglicherweise kann die Reaktionsausbeute in Kernfusionsreaktoren durch Verwendung spinpolarisierten Brennstoffs wesentlich verbessert werden.[8] - Substanzen mit polarisierten Atomkernen verbessern bei bestimmten Kernresonanz-Untersuchungen, z. B. in der Medizin, die Empfindlichkeit (siehe Hyperpolarisation (Physik))

Strahlführung Fokussierung Beschleunigung Ablenkung 4 Strahlführung Herausführen aus dem Beschleuniger Speicherung von Teilchen Fokussieren Nachbeschleunigen Auskoppeln

Fokussierung 5 Fokussierung: Emission divergenter Teilchenstrahlen Divergenz durch Ladungsgleichheit Bündelung durch elektrische Felder Bündelung durch Magnetische Felder Unerwünschte Beeinflussung (Polarisation )

Elektrostatische Fokussierung und Ablenkung Keine Polarisation Die Kraft ist Geschwindigkeitsunabhängig Bei Ablenkung erfolgt eine Geschwindigkeitsänderung 6 Elektrostatische Fokussierung und Ablenkung Kraft parallel zu Feldlinien Keine Polarisation Geschwindigkeitsfilter Quelle: www.chemgapedia.de

Elektrostatische Fokussierung Braunsche Röhre 2 in 1 beschleunigung und Fokussierung Simpel

Elektrostatische Ablenkung Sektorfeld Geschwindigkeitsfilter Geschwindigkeitsänderung

Magnetische Fokussierung und Ablenkung Lorentz-Kraft 𝐹 =𝑞 𝑣 𝑥 𝐵 9 Magnetische Fokussierung und Ablenkung Wird seit ca. 1960 verwendet Senkrecht zur Geschwindigkeit und Feldlinien Kraft steigt proportional zur Geschwindigkeit Quelle:www.physicsmasterclasses.org

Magnete Dipolmagnete Quadrupol und Sextupolmagnete Kickermagnete Septumsmagnete Wigglermagnete 10 Magnete Kupfer Einfache Kühlung Schwach Schnell hoher Stromverbrauch Supraleitend Komplizierte Kühlung Teure Heliumkühlung Hohe Magnetfelder Energiesparend Schwierige Handhabung (Kontakte, Sprungtemperatur) Dipolmagnete Einfachste Art zur Strahlablenkung Quadrupol- und Mehrpolmagnete Fokussierung Kickermagnete Injektion und Extraktion von Teilchenpaketen Septumsmagnete Übergang von Speicherringen Wigglermagnete Synchrotronstrahlung

Magnetische Ablenkung Homogene Magnetfelder Dipolmagnete 11 Magnetische Ablenkung Homogene Magnetfelder Dipolare Magnetfelder Felder Strahlaufweitung Regelbar bei unterschiedlichen Teilchengeschwindigkeiten Biegen der Flugbahn 2 Tesla bei Kupfer 10 Tesla bei Supraleitern

Dipolmagnet Strahlablenkung Homogenes Magnetfeld

Kickermagnete Werden zum auskoppeln von Teilchenpaketen genutzt Dipolmagnet Zum auskoppeln von Teilchenpaketen Müssen innerhalb von 10^-7 Sekunden ansprechen Keine Eisen sondern Ferritkerne (keine Wirbelströme) Eine Spulenwindung Einige Tausend Ampere Zeitlich eng Begrenzter Vorgang daher keine Temperaturprobleme Vorgeladene Kondensatoren http://www.lhc-facts.ch/index.php?page=injektion

Septummagnet Wird zur Strahlführung genutzt 13 Septummagnete Mit hohem Strom gepulster Elektromagnet Übergang von einem Speicherring zum nächsten Eisenbahnweiche Eisenjoch Eine Windung Ca. 1,5 Tesla http://www.lhc-facts.ch/index.php?page=injektion

Magnetische Fokussierung Inhomogene Magnetfelder 15 Magnetische Fokussierung Inhomogene Magnetfelder Ablenkung hängt von der Stärke des Magnetfeldes (magnetische Flussdichte) ab http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/gk3b-2002-2003/node33.html

Quadrupol 16 Quadrupol Magnet Vier magnetische Pole Zur Fokussierung Fokussierung immer durch zwei gegenüberliegende Pole Die anderen beiden Pole wirken defokussieren Für Radiale Fokussierung werden mehrere Quadrupol-Magnete mit abwechselnder Polung hintereinander angeordnet. http://www.idn.uni-bremen.de/cvpmm/content/elementarteilchenphysik

Physikalische Effekte im Magnetfeld bei polarisierten und unpolarisierten Strahlen Energieverlust durch Synchrotron-Strahlung Ausrichten des Spins Sokolov-Ternov-Effekt 17 Physikalische Effekte bei polarisierten und unpolarisierten Teilchenstrahlen Energieverlust durch Synchrotron-Strahlung Spin-Ausrichtung durch den Sokolov-Ternov-Effekt

Synchrotron Strahlung http://syli04.physik.uni-bonn.de/Inhalt/einleitung.htm 18 Synchrotron-Strahlung Je kleiner der Radius desto größer der Energieverlust Die Masse Spielt eine wichtige Rolle, je kleiner die Masse desto größer der Energieverlust Masse fließt mit 4 Potenz ein Je höher die kinetische Energie desto höher der Energieverlust Kinetische Energie fließt mit 4 Potenz ein http://syli04.physik.uni-bonn.de/Inhalt/einleitung.htm

Sokolov-Ternov-Effekt Relativistisch beschleunigte Teilchen Spinwechsel von UP nach DOWN wahrscheinlicher Weil Energetisch günstiger Anreicherung mit Spin down Mit der Verweildauer im Magnetfeld nimmt die Sättigung mit Spin down zu http://en.wikipedia.org/wiki/Sokolov%E2%80%93Ternov_effect

Spin-Sättigung Sättigung 𝜉 𝑡 = 8 3 15 1− exp − 𝑡 𝜏 1− exp − 𝑡 𝜏 Relaxationszeit 𝜏= 8 3 15 ℏ 2 𝑚𝑐 ⅇ 2 𝑚 𝑐 2 𝐸 2 𝐻 0 𝐻 Schwinger-Feld 𝐻 0 ≈4,41⋅ 10 13 𝐺 19 Sokolov-Ternov-Effekt Relativistisch beschleunigte Teilchen Spinwechsel von UP nach DOWN wahrscheinlicher Weil Energetisch günstiger Anreicherung mit Spin down Mit der Verweildauer im Magnetfeld nimmt die Sättigung mit Spin down zu

Elsa Elektronen Stretcher Anlage ELSA Von der Universität Bonn 200 mA Strahlstrom 3,5 GeV

Jülich COSY

Cern