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Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 1

Erdgebundene Beschleuniger

1. kurze historische Einleitung

2. Grundlagen der Beschleunigung

3. Linearbeschleuniger

4. Betatron

5. Zyklotron

6. Synchrotron

7. Ausblick

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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

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Zeitliche Entwicklung

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Grundlagen der Teilchenbeschleunigung

Teilchenbeschleunigung ist angewandte Elektrodynamik

F q

E

v

B

Lorentzkraft

Maxwell-Gleichungen

n.b.: Lorentzkraft bei zeitabhängigen Feldern ist keine konservative Kraft, i.e.

F d

s 0

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Grundlegende Ideen

1. Linearbeschleuniger versus Ringbeschleunigung• Linearbeschleuniger brauchen keine

Führungsmagnete • jede Beschleunigungsstrecke kann nur

einmal durchlaufen werden2. Elektron- versus Protonbeschleunigung

• Energieverlust durch Synchrotronstrahlung ~ E4 und ~1/m4

• B-Feldstärke für Führungsmagnete ~ m• Elektronen sind punktförmig

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Fixed Target vs Kollider

Ecm 2E 2mpc2

Ecm 2 1 mpc2

für Protonen (mpc2 ~ 1 GeV):

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Kaskadengeneratoren(Cockcroft-Walton)

•findet heute noch Anwendung als Vorbeschleuniger•beschränkt auf wenige MeV

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Linearbeschleuniger

•Beschleunigungsstrecke muss an Flugstrecke angepasst werden•kein kontinuierlicher Teilchenstrom

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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

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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

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Zyklotron

•konstantes B-Feld für Kreisbahn und Beschleunigung im E-Feld

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Zyklotron: Phasenstabilität

•Problem: Synchrotronoszillationen

•Teilchen nicht synchron mit der Beschleunigungsfrequenz

longitudinale Oszillationen

Teilchen zu früh:grösseres U

Teilchen zu spätkleineres U relativ zu US

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Synchrotron

•Zeitlich ansteigendes B-Feld mit der Beschleunigung erlaubt Ringbeschleuniger

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Synchrotron

Kavität (Beschleunigung)

Tunnel, Strahlröhre, Vakuumpumpen, Sextupol, …

Quadrupol(Fokussierung)

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Hochfrequenzbeschleuniger

•laufende elektromagnetische Welle in Hohlraumresonatoren

•phasengeschwindigkeit grösser als c

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HF-Beschleunigung

Irisblenden um Phasen-geschwindigkeit zu

reduzieren

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HF-Beschleunigung

Klystron

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Starke Fokusierung

Zwei gekreutzte Quadrupole im Abstand d kleiner als deren doppelteFokallänge wirken insgesamt fokussierend (in beiden Ebenen).

Ansicht von oben

Seitenansicht

1f

1f1

1f2

d

f1 f2

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Starke Fokusierung

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Stochastisches Kühlen

aktive Korrektur der

Bahn-abweichung von Bunchenbesonders wichtig für Antiprotonen

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Linearbeschleuniger SLC

Klystron-Gallerie des SLC

“Klystron” einesMikrowellen-

herdes

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Linearbeschleuniger

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Der PEP-Beschleuniger am SLAC

Luminosität ~ 8x1033 /cm2 s= 8 /nb s

bb Wirkungsquerschnitt ~ 1nb

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Collider Parameter

R = L Ereignis-Rate R: Wirkungsquerschnitt

L fn1n2

4 x y

Luminosität L: niAnzahl Teilchen in Paket if: Kollisionsfrequenz

xhorizontale Strahlgrößeyvertikale Strahlgröße

L fn1n2

4 xx*yy

*Luminosität L:

Strahlgröße: • transversale Emittanz (Strahlqualität)• Amplitudenfunktion (Strahloptik)

’ : transversale Versetzung ’ ’: Winkel bzgl. Strahlachse

Wert der -function am WW-Punkt.

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Synchrotronstrahlung

Abstrahlungsleistung eines relativistischen Teilchens bei zentripetaler Beschleunigung:

P 1

60

e2a2

c3 4

a v2 /v: Teilchengeschwindigkeit: Krümmungsradius

Pro Umlauf abgestrahlte Energie:

• Elektron mit v ≈ c

• Proton mit v ≈ c

MeV][

][E1085.8W

445

km

GeV

W 7.8 10 6 E4

[TeV 4 ][km]

MeV

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Teilchenbeschleuniger in Betrieb/Bau

Collider start – end date beam type max. beam energy

(GeV)

circumference

or length (km)

PETRA (DESY) 1978 - 1986 e+ e– 23.4 2.304

SLC (SLAC) 1989 – 1999 e+ e– 50 1.45 + 1.47

LEP (CERN) 1989 – 2000 e+ e– 104 26.7

TESLA (DESY) 2010 (???) - e+ e– 400 (?) 15 + 15

KEKB (KEK) 1999 - e+ e– 8 x 3.5 3.0

PEP-II (SLAC) 1999 - e+ e– 9 x 3.1 2.2

HERA (DESY) 1991 - e p 30 x 920 6.3

S

pp S (CERN) 1981 – 1990

pp 315 6.9

TEVATRON (Fermilab) 1987 -

pp 1000 6.28

LHC (CERN) 2005 - pp 7000 26.7

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HERA / DESY

einziger ep-Beschleuniger

erster Einsatz von supraleitenden Magneten

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LEP/LHC

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• 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

TESLA e+e- Linearbeschleuniger mit integriertem Röntgenlaser (free electron laser)

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TESLA e+e- Linearbeschleuniger mit integriertem Röntgenlaser (free electron laser)

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TESLA Kavitäten

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• H. Wiedemann, “Particle Accelerator Physics” I & IISpringer 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

Literatur / weiterführende Informationen:

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Produktion von Antiprotonen