BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider

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1 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

2 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC

3 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC

4 Beschleunigung mit Gleichspannung Resonante Beschleunigung
Beschleunigertypen BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Beschleunigung mit Gleichspannung Resonante Beschleunigung Strahlentransformator (Betatron)

5 Beschleunigertypen Beschleunigung mit Gleichspannung
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC U Quelle Target - Beschleunigungsstrecke wird nur einmal durchlaufen - Ekin max< 30MeV - Beispiel Röntgenröhre als Fixed-Target-Experiment

6 ~ ~ Beschleunigertypen Resonante Beschleunigung
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Linearbeschleuniger: 1928 Ising , Wideröe VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC ~ Cyclotron: 1931 Lawrence & Livingston halbe „Keksdose“ ~ Problem: Relativistischer Massenzuwachs, d.h  Synchro-Cyclotron mit

7 . Beschleunigertypen Strahlentransformator x x x x
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Betatron: 1927 Wideröe VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC x x x x Spule . x Vakuum-kammer Joch Teilchenstrahl ist Sekundärspule

8 Synchrotron Synchro-Cyclotron Betatron Synchrotron
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Erfindung: 1944 Veksler VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Synchro-Cyclotron Betatron Synchrotron

9 ~ Synchrotron x Erfindung: 1944 Veksler
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Erfindung: 1944 Veksler Magnetisches Führungsfeld wächst mit Impuls: VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Teilchenpaket (Bunch) x Frequenz wird an den Impuls angepasst. Driftröhren o. Cavities ~

10 Phasenstabilität Phasenfokussierung
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Prinzip VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Synchrotron-Schwingung um

11 Luminosität LHC: Wichtige Beschleuniger-Kenngröße Wirkungsquerschnitt
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Wichtige Beschleuniger-Kenngröße VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron Phasenstabilität Luminosität MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Wirkungsquerschnitt Ereignisrate Luminosität Luminosität für Bunche mit Gaussverteilung z s x LHC: 23 Ww pro Bunch-kreuzung

12 Fragen bisher? BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Fragen bisher?

13 Meilensteine… BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Meilensteine…

14 Meilensteine… BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Meilensteine…

15 Fokussierung BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Fokussierung

16 Fokussierung Notwendigkeit
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Strahldivergenz + grosse Strecke  Strahlverlust VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Divergenz-Ursachen: - Feldfehler - Gasreste … Gasatom

17 Schwache Fokussierung
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider homogenes Magnetfeld(Dipol) 2D x x x x x x VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC F x x x x x x A B x -x x s Sollbahn -x F A B Großer Divergenzwinkel α = - viele Teilchen werden fokussiert - kurze Brennweite kleiner Radius

18 Schwache Fokussierung
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Cosmotron ,3 GeV Ø 22m VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

19 Schwache Fokussierung
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Bevatron ,2 GeV Ø 55m VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

20 Schwache Fokussierung
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Synchrophasotron GeV Ø 33m VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

21 Schwache Fokussierung Senkrecht zur Bahnebene
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC N z x r S - B-Feld-Stärke nimmt nach Aussen ab - Fokussierung in der Bahnebene verschlechtert sich

22 Schwache Fokussierung Von Schwach nach Stark
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider schwächere Krümmung aussen stärkere Krümmung innen Gradient verursacht VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Bz F‘ B0 A B R0 r x x F‘ s A B

23 Starke Fokussierung Idee
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Alternating Gradient Principle 1952 Wechselnde Feldgradienten VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC A B Orbit s Orbit A B

24 Starke Fokussierung Idee
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Alternating Gradient Principle 1952 Wechselnde Feldgradienten VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC A B Orbit x -x x B s Orbit A Rechnung zeigt: - Stärkere Fokussierung in Bahnebene und senkrecht dazu, obwohl abwechselnd auch defokussiert wird. - Diese starke Fokussierung ist unabh. von Radius.

25 Starke Fokussierung PS CERN, 1959 28 GeV Ø 200m
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider PS CERN, GeV Ø 200m VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

26 Starke Fokussierung AGS 1960 33 GeV Ø 257m
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider AGS GeV Ø 257m VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

27 Querschnittsvergleich
Starke Fokussierung BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Querschnittsvergleich VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Cosmotron 1952 AGS 1960 Alternating Gradient Sychrotron Beampipe: cm x 61cm Energie: ,3GeV Ø : m Stahl [t]: Ø 3-5 cm 33GeV 257m 4000

28 D QD QD D Combined Function Magnets:
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Combined Function Magnets: Gradient, nicht Feldrichtung VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Führungsfeld und Fokussierung in einem. Separated Function Magnets: D QD QD D Führungsfeld durch Dipolmagnete(D) Fokussierung durch Quadrupol-Dubletts(QD) Optik: Linsen-Dubletts

29 Starke Fokussierung Quadrupol
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Horizontal fokussiered und gleichzeitig vertikal defokussierend VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC z S N F x F F x x x x F N S Bx= -gz Bz= -gx

30 Starke Fokussierung Vergleich mit Optik
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC x s z s Fokussierung wenn: Gradient des B-Feldes reale Länge des Quadrupols

31 Starke Fokussierung Bewegungsgleichung
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider z x x(s) z(s) s r 0 VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Schwingung um Sollbahn Betatron-Schwingung

32 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

33 Collider-Prinzip BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Collider-Prinzip

34 Collider-Prinzip Kollidierende Teilchenstrahlen
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Vorteile: Höhere Schwerpunktsenergie bei kleinerer Strahlenergie

35 Collider-Prinzip Kollidierende Teilchenstrahlen
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Vorteile: Recycling Fixed-Target: Bunche gehen nach Kollision verloren Collidern: Bunche werden recyclet . x x . x . . x LHC: 2835 Bunche, Abstand 25ns, Protonen/Bunch

36 Collider-Prinzip Kollidierende Teilchenstrahlen
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Vorteile: Teilchen und Antiteilchen können in einer Strahlröhre gegensinnig beschleunigt werden. FL FL . -q q v v‘ |v|=|v‘| Nachteile: Identische Teilchen können nicht in einer Strahlröhre gegensinnig beschleunigt werden.

37 Collider-Prinzip Kollidierende Teilchenstrahlen
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Nachteile: Luminosität geringer als bei Fixed-Target Experimenten. Collider: Fixed Target: Problem bei p-p-Collidern: Protonen sind keine Punktteilchen  Impulsverteilung der Konstituenten

38 Collider-Prinzip Kollidierende Teilchenstrahlen
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC ISR Intersecting Storage Rings, 1.p-p-Collider 1971, 31+31GeV, bis 1984

39 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

40 Supraleitende Magnete
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

41 Supraleitende Magnete Vergleich
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Elektromagnete mit Eisenkern: (Sättigung des Eisens) Elektromagnete ohne Eisenkern (Luftspule): - Normal-Leiter Stromdichten bis 100A/mm² - Supraleiter Stromdichten >1500A/mm² Multipolordnung

42 Supraleitende Magnete Spule ohne Eisen-Kern
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Diese Stromverteilung erzeugt ein B-Feld m-ter Ordung: Beispiel m=1: Dipolfeld

43 Supraleitende Magnete Supraleiter = Idealer Diamagnet
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Idealer Diamagnet: H M= H=-H F F S.L

44 Supraleitende Magnete Supraleiter = Idealer Diamagnet
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Idealer Diamagnet: M= H=-H H . . F F S.L S.L Ströme fließen nur im Mantelbereich . . . . . . . S.L

45 . Supraleitende Magnete Supraleiterkabel
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Große Oberfläche, um kritische Stromdichte zu vermeiden . Filamente Quenching  Plötzlicher Verlust der Supraleitung  Normalleitung = Leistungsabfall/Wärme

46 Supraleitende Magnete Supraleiterkabel
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Um die Ausbreitung eines Quenches zu verhindern wird das S.L.Material von Kupfer umgeben:  Cu transportiert Wärme ab.  Cu übernimmt kurzfristig den Stromtransport

47 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

48 Supraleitende Magnete NbTi
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Warum NbTi ? NbTi läßt sich leicht verarbeiten, d.h. es ist nicht spröde. S.L.2. Art lassen höhere äussere Felder zu. B-Feld kann in Fluss-Schläuchen eindringen

49 Supraleitende Magnete LHC-Dipol
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Querschnitt eines LHC-Dipolmagneten

50 Supraleitende Magnete LHC-Dipol
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Spulen und mech. Einfassung Abstoßende Kräfte zwischen den Leitern: 400t pro Meter Leiterlänge

51 Supraleitende Magnete LHC-Dipol
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Länge: ca. 15m Gewicht: 27t Strom:11850A B-Feld: 8,3T Anzahl: 1232

52 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC

53 Stochastische Kühlung
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Stochastische Kühlung

54 Stochastische Kühlung
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Verbesserung der ‘Strahlqualität‘ VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Notwendigkeit: Strahldivergenz bleibt bei Fokussierung erhalten „Divergenz=Transversale Temperatur“

55 Stochastische Kühlung
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Idee Simon v.d. Meer 1972 VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Transversales E-Feld „kickt“ Teilchen auf neue Bahn Pick-Up Kicker gegeben durch Betatronschwingung Probleme Signalübertragung  Abkürzung Teilchenzahl zu groß  Untersysteme ( „Makroteilchen“)

56 Stochastische Kühlung
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Pick-Up  Kicker: Strecke kurz Durchdringung der Makroteilchen unerwünscht Kicker  Pick-Up: Strecke möglichst lang „kalte“ und „warme“ Makroteilen mischen Gesamttemperatur sinkt.

57 Stochastische Kühlung
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE Fokussierung Collider-Prinzip Supraleitende Magnete Stochastische Kühlung TEVATRON & LHC Antiproton Accumulator Ring CERN

58 BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC

59 Tevatron & LHC… BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Tevatron & LHC…

60 Tevatron Oberirdisch! BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Tevatron LHC Ausblick Oberirdisch!

61 Tevatron 6.3km Umfang  3.2 km Umfang 
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Tevatron LHC Ausblick 6.3km Umfang  1 TeV 3.2 km Umfang 

62 LHC BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG
MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Tevatron LHC Ausblick

63 LHC Umfang: 27km 7TeV  7TeV L=1034cm-2s-1
BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider Umfang: 27km 7TeV  7TeV L=1034cm-2s-1 VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Tevatron LHC Ausblick

64 Computer-Grafik BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider
VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Tevatron LHC Ausblick Computer-Grafik

65 Ring wird geschlossen und gekühlt
LHC Zeitplan BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Tevatron LHC Ausblick Oktober 2006 April 2007 Herbst 2007 Ring wird geschlossen und gekühlt LHC-Inbetriebnahme (erste Strahlen) Erste pp-Kollisionen

66 Ausblick BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG
MEILENSTEINE TEVATRON & LHC Tevatron LHC Ausblick VLHC (233km, bis 200TeV) LHC (27km) Tevatron (6,3km)

67 LHC & Tevatron LHC-Bilder
Ende