introduction to accelerators wstęp do fizyki akcelaratorów czyli jak to działa
DESCRIPTION
Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa. Sławomir Wronka, 17.04.2007r. Akcelerator – a co to takiego ?. Akcelerator - definicja. Akcelerator to urządzenie do przyspieszania cząstek, w którym możemy kontrolować parametry wiązki - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/1.jpg)
Introduction to acceleratorsIntroduction to accelerators
Wstęp do fizyki akcelaratorów Wstęp do fizyki akcelaratorów czyliczyli
Jak to działa Jak to działa
Sławomir Wronka, 17.04.2007r
![Page 2: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/2.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Akcelerator – a co to takiego ?
![Page 3: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/3.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Akcelerator - definicja
Akcelerator to urządzenie do przyspieszania cząstek, w którym możemy kontrolować parametry wiązki
Przyspieszanie odbywa się za pomocą pola elektrycznego
Tylko cząstki niosące ładunek Do skupienia cząstek w wiązkę oraz do nadania im
pożądanego kierunku używa się odpowiednio ukształtowanego, w niektórych konstrukcjach także zmieniającego się w czasie, pola magnetycznego lub elektrycznego
![Page 4: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/4.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Domowy akcelerator: kineskop TV
Elektrony są przyspieszane w próżni w kierunku dodatnio naładowanej elektrody. Pola elektromagnetyczne prowadzą wiązkę do ekranu.
W miejscach, gdzie wiązka uderza, ekran robi się jasny, budując w ten sposób obraz.
![Page 5: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/5.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Akceleratory – a po co ?
Badania naukowe
Medycyna
Przemysł
…….
![Page 6: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/6.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Akceleratory – a po co ?
D.Brandt, 2004
Accelerators in the world (2002)
![Page 7: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/7.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Akceleratory – jak ?
Metody DC
Akceleratory liniowe
Akceleratory kołowe
![Page 8: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/8.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Akceleratory DC
Cząstka nabiera energii poruszając się pomiędzy dwoma potencjałami ΔV=V-V0.
• Wiązka przechodzi tylko raz
• Im wyższy potencjał tym większa energia
![Page 9: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/9.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
400kV
200kV
1932 – pierwszy akcelerator1932 – pierwszy akcelerator
Cockcroft- Walton.
![Page 10: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/10.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Generator Van de Graaffa
![Page 11: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/11.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
![Page 12: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/12.jpg)
Akceleratory liniowe
![Page 13: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/13.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Metoda Wideröe
T5
• Cząstki przyspieszane pomiędzy komorami dryfowymi
• Konieczność coraz dłuższych komór
• Ograniczenia: rozmiary (dla 7MHz, proton 1MeV pokonuje 2m/cykl), straty radiacyjne dla wyższych częstotliwości
T5T4T3T2T1źródło
![Page 14: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/14.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Zamykamy przestrzeń przyspieszania we wnęce o dobranej częstotliwości rezonansowej
Metoda Alvareza
![Page 15: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/15.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Metoda Alvareza
Pierwszy akcelerator Alvareza zbudowany został w 1946r. Przyspieszał protony do energii 32 MeV, zasilany ze źródła 200MHz.
Używane do dziś dla ciężkich cząstek. Efektywne przyspieszanie w zakresie
![Page 16: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/16.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Przyspieszanie cząstek relatywistycznych, czyli
elektronów v/c
Elektron Proton 10 keV 0,195 0,0046100 keV 0,548 0,0147 1 MeV 0,941 0,0465 5 MeV 0,996 0,1026 10 MeV 0,999 0,1451
1GeV ~1 !!!
![Page 17: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/17.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Przyspieszanie elektronów
Wysoka częstotliwość, ponieważ duża prędkość !
Fala 10cm – 3000 MHz
![Page 18: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/18.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Przyspieszanie elektronów
Pomysł – może wystarczy wziąć falowód ? Elektrony będą przyspieszać wraz z poruszającą się falą.
Tak, ale jest mały problem – fala elektromagnetyczna o głównej składowej pola E „do przodu” porusza się ZA SZYBKO w kołowych lub prostokątnych falowodach.
![Page 19: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/19.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Przyspieszanie elektronów
Dyski o odpowiedniej średnicy zapewniają „zwolnienie” rozprzestrzeniania się fali tak, aby zapewnić prędkość porównywalną z prędkością cząstek (v~c)
![Page 20: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/20.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Przyspieszanie elektronów
Standing wave Moving wave
![Page 21: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/21.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
A tak przy okazji – skąd wziąć cząstki ?
pButla z wodorem:
![Page 22: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/22.jpg)
Akceleratory kołowe
![Page 23: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/23.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Ruch cząstki w polu Ruch cząstki w polu magnetycznymmagnetycznym
![Page 24: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/24.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Wartość siły Lorenza:
Siła skierowana jest prostopadle do wektora prędkości
Siła Lorenza to siła dośrodkowa
Ruch cząstki w polu Ruch cząstki w polu magnetycznymmagnetycznym
![Page 25: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/25.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Ładunek w polu magnetycznymŁadunek w polu magnetycznym
Okres ruchu:
Częstość kołowa:
Częstość cyklotronowa niezależna od prędkości
![Page 26: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/26.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Cyklotron /Lawrence, 1932/
Nagroda Nobla 1939Nagroda Nobla 1939
![Page 27: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/27.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Cyklotron
Cząstki w polu magnetycznym elektromagnesu (nabiegunniki zwane duantami)
Zmienne pole wcz w szczelinie Ruch cząstki zsynchronizowany z polem
przyspieszającym – 10-30 MHz. Relatywistyczny przyrost masy
rozsynchronizowuje cały proces – limit energetyczny…
![Page 28: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/28.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Np. Protony – do 10MeV
NIE DO ELEKTRONÓW
Cyklotron
![Page 29: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/29.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Cyklotron
![Page 30: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/30.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Cyklotron izochroniczny - akcelerator z azymutalną modulacją pola - cyklotron, skonstruowany tak by czas jednego obiegu rozpędzanych cząstek był stały (stąd nazwa izochroniczny) pomimo wzrostu masy cząstki wywołanej efektami relatywistycznymi, które występują przy rozpędzaniu cząstek do prędkości porównywalnych z prędkością światła.
Cyklotron izochroniczny
![Page 31: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/31.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Stały czas obiegu uzyskuje się poprzez odpowiednie ukształtowanie pola magnetycznego zakrzywiającego tor ruchu cząstek. Wzrost pola magnetycznego na zewnątrz uzyskuje się poprzez wykonanie odpowiednich nacięć w rdzeniu elektromagnesu (jak przedstawione na rysunku).
Cyklotron izochroniczny
![Page 32: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/32.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
![Page 33: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/33.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Modyfikacja taka upraszcza układ zasilania w napięcie przyspieszające, które jest generatorem o stałej częstotliwości. Umożliwia pracę ciągłą akceleratora a przez to także zwiększa maksymalną energię możliwą do osiągnięcia oraz natężenie wiązki.
Cyklotron izochroniczny
![Page 34: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/34.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
![Page 35: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/35.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Synchrocyklotron /fazotron/
Aby skompensować relatywistyczny wzrost masy – możemy zmienić częstotliwość RF
Np. CERN, 600MeV, 30.6MHz – 16.6MHz, 30000 obiegów protonów, przyrost energii 20keV/obieg.
![Page 36: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/36.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Synchrotron
Jeśli zsynchronizowana zostanie częstość obiegu cząstek w pierścieniu akceleracyjnym z częstością zmiany pól: elektrycznego i magnetycznego, to proces akceleracji może odbywać się bez zmiany promienia okręgu po którym krążą cząstki.
![Page 37: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/37.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Synchrotron
Na obwodzie umieszczamy: Wnęki przyspieszające RF Magnesy Urządzenia dodatkowe
![Page 38: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/38.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Duże akceleratory
Storage rings Colliders
![Page 39: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/39.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Dlaczego duże akceleratory ?
Każda cząstka zakrzywiana w polu magnetycznym wypromieniowuje energię – promieniowanie synchrotronowe
Moc strat ~ 1/(r2*m04)
![Page 40: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/40.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Koncepcja „Luminocity” = „Świetlność”
Zderzamy dwie wiązki, prawdopodobieństwo interakcji ~ N2/A
Zderzamy je f razy na sekundę
Ilość oddziaływań ~ f * N2/A
MAX
MIN
![Page 41: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/41.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
![Page 42: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/42.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Przyspieszanie cząstek
![Page 43: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/43.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Ogniskowanie słabe
![Page 44: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/44.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Ogniskowanie silne
![Page 45: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/45.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Magnesy kwadrupolowe
![Page 46: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/46.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Synchrotron
Na obwodzie umieszczamy: Wnęki przyspieszające RF Magnesy Elementy skupiające – magnesy
kwadrupolowe Pompy próżniowe (zła próżnia = pogorszenie
parametrów wiązki, fałszywe wyniki exp., spadek wydajności)
Monitory wiązki
![Page 47: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/47.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
![Page 48: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/48.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
LHC – dlaczego 8,4T ?
Synchrotron – R=const
![Page 49: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/49.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ
Podsumowanie
Przyspieszamy cząstki we wnękach rezonansowych polem RF
Kierunek ruchu modyfikujemy polem B Akcelerator liniowy – tylko jedno przejście
(ale unikamy kosztownych magnesów) Akcelerator kołowy – wielokrotne
przyspieszanie, magnesy Zwiększanie promienia zmniejsza straty Modyfikacja geometrii poprzecznej – grupy
kwadrupoli
![Page 50: Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/568144ca550346895db1950b/html5/thumbnails/50.jpg)
17.04.2007 dr Sławomir Wronka, IPJ