Einführung in die Physik der Teilchenbeschleuniger Rüdiger Schmidt – CERN / TU Darmstadt Vorlesung an der Technischen Universität Darmstadt 22 März - 26 März 2010 Home page: http://rudi.home.cern.ch/rudi/ E-mail: rudiger.schmidt@cern.ch

Literatur über Teilchenbeschleuniger Allgemeine Literatur Physik der Teilchenbeschleuniger und Synchrotronstrahlungsquellen, Klaus Wille, Teubner Verlag, Studienbücher, 2. Auflage 1996 (Ausgezeichnetes Lehrbuch) Proceedings of CERN ACCELERATOR SCHOOL (CAS), Yellow Reports, für viele Themen in der Beschleunigerphysik, General Accelerator Physics, and topical schools on Vacuum, Superconductivity, Synchrotron Radiation, Cyclotrons, and others… http://schools.web.cern.ch/Schools/CAS/CAS_Proceedings.html 5th General CERN Accelerator School, CERN 94-01, 26 January 1994, 2 Volumes, edited by S.Turner F.Kneubühl: Repetitorium der Physik, Teubner Studienbücher, Stuttgart 1982 Spezialthemen Superconducting Accelerator Magnets, K.H.Mess, P.Schmüser, S.Wolff, WorldScientific 1996 Handbook of Accelerator Physics and Engineering, A.W.Chao and M.Tigner, World Scientific, 1998 (Nachschlagewerk für viele Themen in der Beschleunigerphysik - nicht als Lehrbuch geeignet) A.Sessler, E.Wilson: Engines of Discovery, World Scientific, Singapur 2007 Geschichte der Beschleuniger Konferenzen und Workshops für Beschleuniger (EPAC, PAC, IPAC, …)

Übersicht der Vorlesungsreihe Beschleunigerphysik: Einführung Teilchenbeschleuniger und Grundlagenforschung Typischer Aufbau einiger Beschleunigeranlagen Entwicklung der Beschleuniger und Beschleunigertypen Synchrotronstrahlung Beschreibung der Teilchendynamik - Grundlagen Magnetfelder und Teilchenfokussierung Bewegung von geladenen Teilchen im Magnetfeld Betafunktion und optische Parameter Beschleunigung und longitudinaler Phasenraum Hohlraumresonatoren für Teilchenbeschleuniger Beispiel für kollektive Effekte: Raumladung Der LHC am CERN

Kapitel 1 Beschleunigerphysik: Einführung Rüdiger Schmidt (CERN) – Darmstadt TU - 2010 - Version 2.3

Übersicht Was versteht man unter einem Teilchenbeschleuniger? Relativistische Kinematik: Geschwindigkeit und Energie Teilchenbeschleunigung Teilchenablenkung Was ist Beschleunigerphysik?

Was sind Teilchenbeschleuniger ? Definition CAMBRIDGE DICTIONARY: A particle accelerator is a machine which makes extremely small pieces of matter travel at very high speeds, so that scientists can study the way they behave Teilchenbeschleuniger sind die bedeutensten physikalischen Grossgeräte, und werden in Forschung und Entwicklung in der Physik (Grundlagen und Anwendungen), Biologie, Chemie, Medizin, Archäologie, … gebraucht

Welche Teilchen ? Von 1920 bis heute….. Elektronen Positronen Protonen Ruheenergie m0  c2 = 511 keV, elementares Teilchen, negative Ladung e0=1.602  10-19 C Positronen Ruheenergie m0  c2 = 511 keV, elementares Teilchen, positive Ladung e0 =1.602  10-19 C Protonen Ruheenergie m0  c2 = 938 MeV, kein elementares Teilchen (Quarks und Gluonen) positive Ladung e0 = 1.602  10-19 C Antiprotonen Wie Protonen aus Quarks aufgebaut, Masse wie Protonen, negative Ladung Ionen (von Deuteronen zu Uran) Ladung vielfaches einer Elementarladung, Masse von 2mProton bis Uran Stabile und unstabile Ionen (Beta Beams) Ideen für die Zukunft m Mesonen / Muon– Collider elementares Teilchen wie e+/e-, Ruheenergie m0  c2 = 106 MeV, Ladung e0 =1.602  10-19 C Lebensdauer: 2.2  10-6 s im Ruhesystem. Im Laborsystem gilt: LAB =   RS

Parameter eines Teilchens Ruhemasse m0 Ladung q Spin z y Geschwindigkeitsvektor vx, vy, vz Position im Raum x, y, z x Die Energie ändert sich mit der Geschwindigkeit Der Spin wird im Rahmen dieser Vorlesung nicht berücksichtigt

Beschleunigung und Ablenkung von Teilchen: Lorentzkraft Die Kraft auf ein geladenes Teilchen ist proportional zur Ladung, zum elektrischen Feld, und zum Kreuzprodukt von Geschwindigkeitsvektor und Magnetfeld: Für ein Elektron, Positron, Proton, ... ist die Ladung q die Elementarladung: Energieänderung nur durch elektrische Felder, im Magnetfeld kann man keine Ladung beschleunigen:

Energiegewinn eines geladenen Teilchen Beispiel: Ein geladenes Teilchen wird durch im Potential beschleunigt. Zusammenhang zwischen Spannung und elektrischen Feld: Energiegewinn des geladenes Teilchen: Der Energiegewinn des geladenes Teilchen ist proportional zur Spannung, die das Teilchen durchläuft, und zur Ladung des Teilchens.

Beschleunigung eines Elektrons im elektrischen Potential U = 10000 V - + + z.B.Plattenkondensator U = 10000 V d = 1 m q = e0 E = 10000 eV d = 1 m Definition der Einheit „eV“: Ein Teilchen mit der Ladung e0 , welches eine Spannung von einem Volt durchläuft, gewinnt die Energie von einem eV (Elektronenvolt). Es gilt: 1 eV = 1.602  10-19 Joule Der Energiegewinn ist unabhängig von der Energie und Geschwindigkeit des Teilchens, und von der Länge der durchlaufenen Strecke bei gegebener Potentialdifferenz Eneu = Ealt + E

Relativistische Kinematik: Geschwindigkeit und Energie Die Geschwindigkeit der Teilchen bei hoher Energie nähert sich der Lichtgeschwindigkeit an. Die Lichtgeschwindigkeit kann nicht überschritten werden. Annahme: Ein Teilchen mit der Masse m0 bewegt sich mit der Geschwindigkeit v bezüglich des Laborsystems.

Ablenkkraft auf ein relativistisches, geladenes Teilchen

Ablenkung durch elektrische Felder

Magnetfelder – Elektrische Felder Für die Beschleunigung von Teilchen werden elektrische Felder benutzt Für Beschleuniger werden in der Regel Magnetfelder zur Teilchenablenkung und Fokussierung benutzt. Es gibt jedoch auch einige Anwendungen für elektrostatische Felder zur Teilchenablenkung, z.B: Strahlseparierung für Teilchen mit entgegengesetzter Ladung im Speicherrung Feedbacksysteme: es ist bei hoher Strahlintensität notwendig, die einzelnen Teilchenpakete zur Strahlstabilisierung unterschiedlich abzulenken. Dazu werden häufig elektrische Felder benutzt.

Teilchenbewegung im Magnetfeld Protonen Antiprotonen Ein Kreisbeschleuniger für zwei Stahlen mit gleichen Teilchen erfordert Magnete entgegengesetzter Feldrichtung B B Daher viele Collider mit Protonen / Antiprotonen und e+e-

Werden in Beschleuniger Teilchen « beschleunigt »? Trifft für die meisten Beschleuniger zu … aber nicht für alle Ein Fernsehgerät würde man nicht als Beschleuniger bezeichnen, obwohl Elektronen mit einer Spannung von einigen kV beschleunigt werden Speicherringe sind Beschleuniger, in denen Teilchen gespeichert werden (die Teilchenenergie bleibt in vielen solchen "Beschleunigern" konstant) zur Akkumulation von Positronen und Antiprotonen zur Kollision von zwei Protonenstrahlen (Injektion bei Kollisionsenergie, CERN ISR) Beschleuniger, die Synchrotronstrahlung erzeugen (einer der wichtigsten Beschleunigertypen), häufig ohne die Teilchen zu beschleunigen Beschleuniger, in denen Teilchen abgebremst werden Die Antiprotonen haben eine kinetische Energie von einigen hundert MeV, und werden für Experimente auf wenige eV abgebremst (CERN – AD) – z.B. zur Herstellung von Anti – Wasserstoff Beschleuniger, in denen Teilchen auf ein Target gelenkt werden Zur Erzeugung von Neutrinos oder anderen Teilchen Die Erzeugung von Antiprotonen funktioniert mit Protonen, die mit einer Energie von einigen GeV auf ein Target gelenkt werden

Was ist Beschleunigerphysik und Technologie? Die physikalischen und technischen Grundlagen, um einen Teilchenbeschleuniger zu planen, zu entwickeln, zu bauen und zu betreiben Elektromagnetismus Relativitätstheorie Teilchenphysik Strahlungsphysik Thermodynamik Mechanik Quantenmechanik Physik nichtlinearer Systeme Festkörperphysik und Oberflächenphysik Vakuumphysik Ausserdem: Maschinenbau, Elektrotechnik, Computerwissenschaften, Bauingenieurwesen einschl. Vermessungswesen

Anwendungen von Teilchenbeschleunigern Teilchenphysik: CERN, DESY, SLAC, FERMILAB, JLAB, KEK … Anwendungen von Synchrotronstrahlung: z.B. ESRF, DESY, …. Chemie Biologie Physik Kernphysik: S-DALINAC, GSI, SNS (Oak Ridge, USA) …. Industrielle Anwendungen 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

Ion implanters and surface modifications 7000 Accelerators in industry World wide inventory of a accelerators, in total 15000. 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 20000. 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