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

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

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.

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

Beschleunigung mit einem hochfrequenten elektrischen Feld Zeitlich veränderliche Spannung: ( ) U ( t ) := U × sin 2 × p f × t rf Frequenz : f = 100 MHz rf 6 Maximale Spannung: U = 1 ´ 10 V U(t) . 6 1 10 . 5 5 10 Spannung . 5 5 10 . 6 1 10 . 8 . 9 . 9 . 8 1 10 5 10 5 10 1 10 Zeit

Linearbeschleuniger (LINAC) Teilchen- quelle HF-Sender mit fester Frequenz Driftröhren aus Metall ~ 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

Energie des Teilchens nach der Röhre i: li Energie des Teilchens nach der Röhre i: dabei ist U0 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)

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.

Struktur eines Linearbeschleunigers am FERMILAB

Hohlraumresonantor (cavity) Standing wave Travelling wave

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

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

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

Beispiel für die Parameter eines Protronenzyklotron

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

Isochronzyklotron Wenn die Geschwindigkeit des Teilchens wächst, muss das Magnetfeld ebenfalls mit dem Radius anwachsen: http://abe.web.psi.ch/accelerators/vortraegeWernerJoho/

Zyklotron am CERN

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. http://images.google.de/imgres?imgurl=http://www.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

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 http://www.protonen-therapie.de/pg_0006.htm

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. 5-10 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

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 Magnetfeld Strahlintensität 450 GeV Extraktion Beispiel: CERN-SPS Protonensynchrotron 14 GeV Injektion Zeit Injektion Extraktion 14 sec Zyklus

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

CERN Protonensynchrotron (CERN-PS) gebaut 1959

Typical Synchrotron Magnet

Beschleunigung im Protonensynchrotron – CERN SPS I

Beschleunigung im Protonensynchrotron – CERN SPS II

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 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. LEP: Schwerpunktsenergie = 200 GeV LHC: Schwerpunktsenergie = 14000 GeV Elektronen Positronen Protonen Protonen

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 50-80 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 = 40000 m für jeden der beiden Beschleuniger für Elektronen und Positronen – d.h. 80 km. Ausserdem wären die supraleitenden Cavities wesentlich teurer geworden. Schwerpunktsenergie im Zentrum = 200 GeV Elektronenlinac 40 km Positronenlinac 40 km

LEP Die Teilchen laufen bei jedem Umlauf durch die Beschleunigungsstruktur. Ein Umlauf dauert 89 s. In einer Sekunde macht ein Teilchen 11246 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 0.024 Tesla auf 0.119 Tesla hochgefahren. Die Magnetrampe dauert einige Minuten. LEP - Umfang 26.8 km etwa 4 Bunche / Strahl eine Vakuumkammer

Magnetrampe bei LEP

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

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.

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

The CERN accelerator complex: injectors and transfer Beam 2 5 LHC 4 6 Beam 1 7 3 2 SPS 8 TI8 TI2 1 Booster Protons LINACS High intensity beam from the SPS into LHC at 450 GeV via TI2 and TI8 LHC accelerates to 7 TeV CPS Ions LEIR Beam size of protons decreases with energy: 2 = 1 / E Beam size large at injection Beam fills vacuum chamber at 450 GeV

CERN LHC accelerator complex ? ? ? ?

ANHANG

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

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

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

Parameter eines Betatron nur im Script