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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:
Teilchenphysik mit erdgebundenen und kosmischen Beschleunigern V03 TU SS2004 S. Bethke, J. Schieck 34
Produktion von Antiprotonen