Beschleuniger und Mechanismen Seminar Kern- und Teilchenphysik Hüseyin Tepeli

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Beschleuniger und Mechanismen Seminar Kern- und Teilchenphysik Hüseyin Tepeli VORTRAG am 19.11.2013. Ablauf. Geschichte der Beschleuniger Einsatzgebiete Vorstellen einzelner Beschleuniger Typen/Mechanismen Die Zukunft. Geschichte der Beschleuniger. Bis etwa 1950: der MeV -Bereich - PowerPoint PPT Presentation

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Vortrag Beschleuniger und Mechanismen

Beschleuniger und MechanismenSeminar Kern- und TeilchenphysikHseyin Tepeli

VORTRAG am 19.11.2013

AblaufGeschichte der BeschleunigerEinsatzgebieteVorstellen einzelner Beschleuniger Typen/MechanismenDie Zukunft

Geschichte der BeschleunigerBis etwa 1950: der MeV-Bereich(Kosmische Strahlung)(Rutherfordsches Streuexperiment)Van-de-Graaff-BeschleunigerCockcroft-Walton-GeneratorZyklotronBetatron

3Geschichte der BeschleunigerAb etwa 1950: der GeV-BereichLinearbeschleuniger (LINAC)SLACRingbeschleuniger (Synchrotron)BevatronCosmotronSpeicherringeIntersecting Storage Rings (ISR)BeschleunigerkomplexeLarge Electron-Positron ColliderLarge Hadron ColliderTevatron

linear acceleratorBevatronist der Name des ersten groenSynchrotrons, einesTeilchenbeschleunigersfrProtonen

DasCosmotronwar einSynchrotron-Teilchenbeschleunigervon 23 m Durchmesser amBrookhaven National Laboratory.4Welche Teilchen?Bis heute:Elektronen/PositronenProtonen/AntiprotonenIonen von Deuteronen bis zum Uran

In der Zukunft:m-Collider

EinsatzgebieteTeilchenphysik: CERN, DESY, SLAC, FERMILAB, JLAB, KEK Nutzen der Synchrotronstrahlung: z.B. ESRF, DESY, .Grundlegende Atom- und MoleklphysikFestkrperphysikGeowissenschaftenMaterialwissenschaftenChemieMolekular- und Zell-BiologieOberflchen-/GrenzflchenphysikKernphysik: S-DALINAC, GSI, SNS (Oak Ridge, USA) .Elektron-/Proton-BeschleunigerIonen-Beschleuniger/-ColliderGleichstrom-TeilchenstrahlenEinsatzgebieteIndustrielle AnwendungenRadiographie mit RntgenstrahlenIonen-ImplantationIsotopen-Herstellung/-TrennungMaterial-UntersuchungenNahrungsmittel-SterilisationElektronen-/Rntgenstrahl-LithographieMedizinische Anwendungen: GSI - Heidelberg, PSI (Schweiz), Erzeugung von RadioisotopenBestrahlung von Patienten, z.B. zur Tumorbehandlung Archologie, Altersdatierung, Umweltforschung (z.B. Wien - VERA)Energietechnik: Kernfusion, Energy Amplifier

Quelle: Rdiger Schmidt/Prof. Dr. BiebelEinsatzgebiete der BeschleunigerIon implanters and surface modifications7000Accelerators in industry1500Accelerators in non-nuclear research1000Radiotherapy5000Medical isotopes production200Hadron therapy20Synchrotron radiation sources70Nuclear and particle physics research110World wide inventory of a accelerators, in total 15000. The data have been collected by W. Scarf and W. Wiesczycka (See U. Amaldi Europhysics News, 31/6, 2000) Today (2007), this increased to about 20000.

Kosmische Strahlunghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3a/Cosmicrayshower.png

DieKosmische Strahlung(englischcosmic rays) ist eine hochenergetischeTeilchenstrahlung(10hoch20 eV) aus dem Weltall, die von der Sonne, der Milchstrae und von fernen Galaxien kommt. Sie besteht vorwiegend aus Protonen, daneben aus Elektronen und vollstndigionisiertenAtomen. Auf die uereErdatmosphretreffen zirka 1000 Teilchen pro Quadratmeter und Sekunde. Durch Wechselwirkung mit den Gasmoleklen entstehenTeilchenschauermit einer hohen Anzahl von Sekundrteilchen, von denen aber nur ein geringer Teil die Erdoberflche erreicht.

Vor der Entwicklung leistungsfhigerTeilchenbeschleunigerdiente die kosmische Strahlung als Quelle hochenergetischer Teilchen fr Teilchenphysikexperimente, und viele Elementarteilchen wurden zunchst in dieser nachgewiesen, wobei die Physiker sich dazu auch auf Bergspitzen begaben und Ballonexperimente ausfhrten.

9BeschleunigertypenDirektbeschleuniger:Arbeiten mit hoher Gleichspannung.Linearbeschleuniger:Arbeiten mit Hochfrequenz (Radio Frequency = RF).Kreisbeschleuniger:Arbeiten ebenfalls mit Hochfrequenz (RF) sowie magnetischen Fhrungsfeldern.Energiegewinn eines geladenen Teilchens

Der Energiegewinn eines geladenen Teilchen ist proportional zur Spannung, die das Teilchen durchluft, und zur Ladung des Teilchens.Van-de-Graaf-Beschleuniger (bis 20 MeV)

Rosenau-Labor, Tbingen (Quelle: http://de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/1448804) am weitesten verbreiteten Beschleuniger fur niedrige Energien mit bis zu etwa 20MeV

Van de Graaff-Beschleuniger Erzeugung der Hochspannung durch Bandgenerator (beide Polaritten mgl.) Spannungsfestigkeit wichtigster Gtefaktor rundgeformte Elektroden mit groen Radien (teilweise mehrere Meter) Gleichmige Beschleunigung durch Widerstandskette (quipotentialringe) Erhhung der Spannungsfestigkeit durch Unterbringung in Drucktank mit Schutzgas mglich Maximal mgliche Beschleunigungsspannung ca. 15MV Nachteil: relativ geringe Ionenstrme (0,1-1mA) Vorteil: Spannung kann durch zustzl. Manahmen konstant gehalten werden Immer noch als Injektor in Betrieb

12Van-de-Graaf-BeschleunigerSchematischer Aufbau (Quelle: de.wikipedia.org)

Van de Graaff-Beschleuniger Erzeugung der Hochspannung durch Bandgenerator (beide Polaritten mgl.) Spannungsfestigkeit wichtigster Gtefaktor rundgeformte Elektroden mit groen Radien (teilweise mehrere Meter) Gleichmige Beschleunigung durch Widerstandskette (quipotentialringe) Erhhung der Spannungsfestigkeit durch Unterbringung in Drucktank mit Schutzgas mglich Maximal mgliche Beschleunigungsspannung ca. 15MV Nachteil: relativ geringe Ionenstrme (0,1-1mA) Vorteil: Spannung kann durch zustzl. Manahmen konstant gehalten werden Immer noch als Injektor in Betrieb13Tandem van-de-Graa Beschleuniger

Quelle: http://www.ikp.uni-koeln.de/groups/ex/schieck/tandem-prinzip1.htmlTandem-Beschleuniger Verdopplung der mglichen Beschleunigungsspannung durch zweifaches Ausnutzen der Hochspannung In Ionenquelle Anlagerung von Elektronen negative Ionen Beschleunigung zur Ladungsaustauchkammer (LA) Durch Ste mit Neutralatomen oder Moleklen werden Elektronen abgestreift positive Ionen Erneute BeschleunigungEmax= (q1+q2)U Gewnschte Energien werden durch Analysatormagnete selektiert Vorteil: Ionenquelle und Target auf Massepotential Nachteil: Elektronen knnen nicht beschleunigt werden14Tandem van-de-Graa BeschleunigerTandembeschleuniger im Maier-Leibnitz-Laboratorium in Garching bei Mnchen + Stripperfolie (Rechts) (http://de.wikipedia.org/wiki/Tandembeschleuniger)

EinTandembeschleunigerist einTeilchenbeschleuniger. Er ist eine Weiterentwicklung desVan-de-Graaff-Beschleunigers, bei der dieBeschleunigungsspannungzweimal genutzt wird, indem dieIonennach der ersten Beschleunigung im Inneren der Hochspannungselektrode (Terminal) umgeladen werden.Der Tandembeschleuniger bentigt fr die erste Beschleunigungsstufe negative Ionen. Diese werden durch eine Hochspannung von einigen tausend Volt vorbeschleunigt und in die Hauptbeschleunigungsstrecke eingespeist. In der Mitte des Beschleunigers befindet sich das Terminal, das durch einenVan-de-Graaff-Generatorauf ein positiveselektrisches Potentialaufgeladen wird. Je nach Ausfhrung des Beschleunigers betrgt das Potential von 1MV (Megavolt) bis 25MV; auch noch hhere Spannungen werden erprobt. Im Inneren des Terminals durchluft derIonenstrahleineKohlenstoff-Folieoder eine durch differentielles Pumpen erzeugte Gasstrecke, denstripper(engl., Abstreifer). Hier werden die Teilchen durch Abstreifen von Elektronen in positive Ionen verwandelt. Dadurch werden sie in der zweiten Beschleunigungsstufe vom Terminal zum Austritt aus dem Beschleuniger (auf Erdpotential) weiter beschleunigt.Ohne die Ladungsnderung wrde ein Teilchen durch die zweite Beschleunigungsstufe wieder auf die Eingangsgeschwindigkeit abgebremst. Es ist daher nicht mglich, mit diesem BeschleunigerElektronenzu beschleunigen.Vorteile gegenber dem einfachen Van-de-Graaff-Beschleuniger sind:die hhere erreichbare Ionenenergie bei gegebener Beschleunigungsspannung; mit der SpannungxMV kann zum Beispiel einProtonenstrahlvon 2xMeV erzeugt werden;die Anordnung beider Enden,IonenquelleundTarget, auf Erdpotential und nicht im Hochspannungsterminal.Einer der wichtigsten Nachteile ist die Einschrnkung auf negative Ionen. Edelgase knnen somit nicht oder nur schwierig (Helium) beschleunigt werden, da sie keine negativen Ionen bilden und auch nicht als chemische Verbindung aus der Ionenquelle extrahiert werden knnen.

15Dynamitron-Tandem-Beschleuniger Bochum (bis 50 MeV)

http://www.rubion.rub.de/index.php?article_id=18&clang=0Dynamitron-Tandem-Beschleuniger Bochum (50 MeV)de.wikipedia.orghttp://www.rubion.rub.de/index.php?article_id=18&clang=0

Der Dynamitron-Beschleuniger [Cl60] hat einen Spannungsgenerator, der einegewisse Ahnlichkeit mit dem Kaskadengenerator hat. Um hohere Spannungenbis zu 4 MV zu erreichen, bendet sich der Spannungsgenerator und das Be-schleunigungsrohr in einem mit einem speziellen Schutzgas gefullten Druck-tank (siehe Abb. 2.2). Langs der Innenseite des Drucktanks benden sich zweiisolierte Elektroden D (driver electrodes), die zusammen mit den auenlie-genden Spulen einen Resonanzkreis bilden. Der typische Frequenzbereich liegtzwischen 30 und 300 kHz. Die Elektroden D haben die Form von Halbzylin-dern. Die HF-Leistung wird uber kapazitive Kopplung zu den Koppelelektro-den C ubertragen. Die Koppelelektroden C sind durch eine Gleichrichterkettemiteinander verbunden, die wie bei dem Cockcroft-Walton-Beschleuniger alsKaskadengenerator wirkt. Die resultierende Terminalspannung ist proportio-nal zur Zahl n der Gleichrichterstufen,17Cockcroft-Walton-Beschleuniger(bis 750 KeV)

Cockcroft-Walton Generator (CERN) (de.wikipedia.org)Cockcroft-Walton-BeschleunigerCockcroft-Walton-Generator, historisch erster Typ einesKaskadenbeschleunigers. Zur Erzeugung einerHochspannungwird ein vielstufiges Gleichrichtersystem (Greinacher-Schaltung) verwendet. OhneBelastungergibt sich eine erreichbareSpannungvon 2nU, wobeindie Anzahl der Stufen des Gleichrichtersystems undUdie Spitzenspannung des zugrundeliegendenTransformators darstellt. DiesesPotentialfllt innerhalb eines Metallzylinders von ca. 1m Lnge auf null ab; dies wird zurBeschleunigungpositiver Ionen aus einer Quelle, die auf dem Potential derHochspannungliegt, verwendet.Die erzeugtenH