Beschleuniger und MechanismenSeminar Kern- und TeilchenphysikHüseyin 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(Kosmische Strahlung)(Rutherfordsches Streuexperiment)Van-de-Graaff-BeschleunigerCockcroft-Walton-GeneratorZyklotronBetatron

Geschichte der Beschleuniger

Ab etwa 1950: der GeV-Bereich Linearbeschleuniger (LINAC)

SLAC Ringbeschleuniger (Synchrotron)

BevatronCosmotron

SpeicherringeIntersecting Storage Rings (ISR)

BeschleunigerkomplexeLarge Electron-Positron ColliderLarge Hadron ColliderTevatron

Welche Teilchen?

Bis heute: Elektronen/Positronen Protonen/Antiprotonen Ionen von Deuteronen bis zum Uran

In der Zukunft: m-Collider

Einsatzgebiete

Teilchenphysik: CERN, DESY, SLAC, FERMILAB, JLAB, KEK … Nutzen der Synchrotronstrahlung: z.B. ESRF, DESY, ….

Grundlegende Atom- und MolekülphysikFestkörperphysikGeowissenschaftenMaterialwissenschaftenChemieMolekular- und Zell-BiologieOberflächen-/Grenzflächenphysik

Kernphysik: S-DALINAC, GSI, SNS (Oak Ridge, USA) ….Elektron-/Proton-BeschleunigerIonen-Beschleuniger/-ColliderGleichstrom-Teilchenstrahlen

Einsatzgebiete

Industrielle AnwendungenRadiographie mit RöntgenstrahlenIonen-ImplantationIsotopen-Herstellung/-TrennungMaterial-UntersuchungenNahrungsmittel-SterilisationElektronen-/Röntgenstrahl-Lithographie

Medizinische Anwendungen: GSI - Heidelberg, PSI (Schweiz), …Erzeugung von RadioisotopenBestrahlung von Patienten, z.B. zur Tumorbehandlung

Archäologie, Altersdatierung, Umweltforschung (z.B. Wien - VERA) Energietechnik: Kernfusion, Energy Amplifier

Quelle: Rüdiger Schmidt/Prof. Dr. Biebel

Einsatzgebiete der BeschleunigerIon implanters and surface modifications  7000

Accelerators in industry 1500Accelerators in non-nuclear research  1000

Radiotherapy 5000Medical isotopes production 200Hadron therapy  20Synchrotron radiation sources 70Nuclear and particle physics research 110

World 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 Strahlung

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

Beschleunigertypen

1. Direktbeschleuniger:Arbeiten mit hoher Gleichspannung.

2. Linearbeschleuniger:Arbeiten mit Hochfrequenz (Radio Frequency = RF).

3. Kreisbeschleuniger:Arbeiten ebenfalls mit Hochfrequenz (RF) sowie magnetischen Führungsfeldern.

Energiegewinn eines geladenen Teilchens

UqE

2s

1sU sdE

Der Energiegewinn eines geladenen Teilchen ist proportional zur Spannung, die das Teilchen durchläuft, und zur Ladung des Teilchens.

Van-de-Graaf-Beschleuniger (bis 20 MeV)

Rosenau-Labor, Tübingen (Quelle: http://de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/1448804)

Van-de-Graaf-Beschleuniger

Schematischer Aufbau (Quelle: de.wikipedia.org)

Tandem van-de-Graaff Beschleuniger

Quelle: http://www.ikp.uni-koeln.de/groups/ex/schieck/tandem-prinzip1.html

Tandem van-de-Graaff Beschleuniger

Tandembeschleuniger im Maier-Leibnitz-Laboratorium in Garching bei München + Stripperfolie (Rechts) (http://de.wikipedia.org/wiki/Tandembeschleuniger)

Dynamitron-Tandem-Beschleuniger Bochum (bis 50 MeV)

http://www.rubion.rub.de/index.php?article_id=18&clang=0

Dynamitron-Tandem-Beschleuniger Bochum (50 MeV)

de.wikipedia.orghttp://www.rubion.rub.de/index.php?article_id=18&clang=0

Cockcroft-Walton-Beschleuniger(bis 750 KeV)

Cockcroft-Walton Generator (CERN) (de.wikipedia.org)

Cockcroft-Walton-Beschleuniger

Zyklotron (bis 800 MeV)

60-Zoll-Zyklotron des Lawrence Radiation Laboratory, Berkeley, 1939 (de.wikipedia.org)

Zyklotron

Quelle: de.wikipedia.org

Lorentz-Kraft

)( BvEF

q

Lorentz kraft bei Bewegung negativer bzw. positiver Ladungsträger

Zyklotron

Betatron (Elektronenschleuder)

Historisches 6-MeV-Betatron (Deutschland 1942-46) (de.wikipedia.org)

Betatron (bis 315 MeV)

Mikrotron (bis 1,5 GeV)

Mainzer Mikrotron (http://wwwkph.kph.uni-mainz.de/B1/gallery.php)

Aufbau Mikrotron

Schema des klassischen Mikrotrons Schema des Rennbahnmikrotrons

Quelle: de.wikipedia.org

Schematische Darstellung verschiedener Kreisbeschleuniger

a) Betatron b) Zyklotron c) Mikrotron d) Synchrotron

Die graue Fläche wird jeweils von einem magnetischen Feld ausgefüllt.

Linearbeschleuniger (LINAC)

1. Wideröe-Struktur (β ≈ 0,005–0,05),2. RFQ-Struktur (β ≈ 0,005–0,05),3. Einzelresonator (β ≈ 0,04–0,2),4. Alvarez-Struktur (β ≈ 0,04–0,6),5. Wellenleiter-Struktur (β ≈ 1).

1. Wideröe-Struktur

Prinzip eines Linearbeschleunigers nach Ising und Wideröe, hier für negative Teilchen. Die blau gezeichneten „Teilchenpakete“ werden jeweils in der passenden Halbperiode der Wechselspannung beschleunigt (grüner Pfeil). (de.wikipedia.org)

2. RFQ-Struktur

Schematischer Aufbau eines Hochfrequenz-Quadrupols (Radio Frequency Quadrupole RFQ). a) Querschnitt mit momentaner Ladungs- und Feldverteilung b) Perspektivische Darstellung der radialen Modulation der Pole(„Vanes“).http://www6.physik.uni-greifswald.de/Linearbeschl_Kleinw.pdf

2. RFQ-Struktur

4. Einzelresonator

http://www.brodeck.de/ess/pages/linac.htm

4. Alvarez-Struktur

http://adweb.desy.de/~rossbach/uni/teilchenbeschleuniger_kap3.pdf

5. Wellenleiter-Struktur

Standing wave

Quelle: http://rudi.home.cern.ch/rudi/

5. Wellenleiter-Struktur

http://www.particleadventure.org/german/frameless/accel_ani.html

Hohlraumresonator

http://www.brodeck.de/ess/pages/linac.htm

Beschleunigung am Fermilab

Accelerated in a 201.249 MHz drift-tube linac, though five large tanks, to 116 MeV

Side-coupled Cavity Linachttp://www-ad.fnal.gov/proton/NewProtonWWW/NewLinacWWW/linac_tour.html

SLC – SLAC Linear ColliderBisher längster LINAC (3 km, bis 52 GeV)

http://www.particlecentral.com/accelerator_page.html

Elektronen-Linearbeschleuniger

Krebstherapie an einem medizinischen Elektronen-Linearbeschleuniger (de.wikipedia.org)

http://tulectures.web.cern.ch/tulectures/Folien/06_Linearbeschleuniger_MB.pdf

Synchrotron

http://de.wikipedia.org/

Das Synchrotron DESY II (6 GeV Petra)

http://desy2.desy.de/

Synchrotronstrahlung

Geladene Teilchen strahlen bei der Ablenkung im Magnetfeld Synchrotronlicht ab. Da die abgestrahlte Energie umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Ruhemasse ist, ergibt sich nur bei Elektronen ein relevanter Effekt.(Hinterberger, Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik, Springer Verlag (2008), Seite 347)

Synchrotronstrahlung

Synchrotronstrahlung hat eine Reihe interessanter Eigenschaften:

• breites, kontinuierliches Spektrum• hohe Strahlungsintensität• tritt gebündelt tangential zur Bewegungsrichtung der Teilchen aus• sehr hohe Brillanz• die Folgefrequenz und -dauer sind (in engen Grenzen) einstellbar• exakte Berechenbarkeit des abgegebenen Spektrums• die Strahlung ist kohärent (Grundlage für den Freie-Elektronen-Laser (FEL))• Strahlung ist polarisiert

Quelle: de.wikipedia.org

Intersecting Storage Rings am Cern (bis63 GeV)

http://hedberg.web.cern.ch/hedberg/home/afs/afs.html

Speicherringe

Quelle: de.wikipedia.org

Intersecting Storage Rings am CERN(bis 63 GeV)

http://hedberg.web.cern.ch/hedberg/home/afs/afs.html

Tevatron (bis 2 TeV) am Fermilab

http://u2.lege.net/cetinbal/tevatron.htm

Das Tevatron (bis 2 TeV)

CERN LHC accelerator complex????

CERN LHC accelerator complex

• Quelle und RFQ: 750 keV• LINAC2: 50 MeV• PSB: 1,4 GeV• PS: 25 GeV• SPS: 450 GeV• LHC: 7 TeV (Schwerpunktsenergie)

Large Hadron Collider (Ziel 14 TeV)

• Die Gesamtenergie in jedem der beiden gegensinnig umlaufenden Strahlen ist im Protonenmodus in der Größenordnung von 360 MJ.

• Dies entspricht der kinetischen Energie eines mit 155 km/h 200 m langen fahrenden ICE.

• Diese Energie genügt, um etwa eine halbe Tonne Kupfer zu schmelzen.

• Entspricht einer Energiemenge, wie sie in 90 kg TNT enthalten sind.

• Die gespeicherte Energie in den Dipolmagneten ist mit 11 GJ noch wesentlich höher.(Quelle: de.wikipedia.org)

Die Zukunft: Das FAIR-Projekt

Quelle: www.fair-center.eu/

Die Zukunft: Das FAIR-Projekt

Quelle: www.fair-center.eu/

Die Zukunft: Das FAIR-Projekt

Quelle: www.fair-center.eu/

Die Zukunft: ILC (500 bis 1000 GeV)

Quellhttp://www.linearcollider.org/images/ilcweb_564_1.jpge:

Livingstonplot

http://tesla.desy.de/~rasmus/media/Accelerator%20physics/slides/Livingston%20Plot%201.html

Die Zukunft: ILC (500 bis 1000 GeV)

Quellhttp://www.linearcollider.org/images/ilcweb_564_1.jpge:

Particle Accelerators Around the World

ElectronsStretcher Ring/Continuous Beam facilitiesELSA (Bonn U), JLab, MAMI (Mainz U), MAX-Lab, SLACSynchrotron Light Sources, Storage RingsALBA, ANKA, ALS (LBL), APS (ANL), AS, ASTRID (ISA), ASTRID2 (ISA), BESSY II, CAMD (LSU), CeBeTeRad, CHESS (Cornell Wilson Lab), CLS (U of Saskatchewan), DELTA (U of Dortmund), ELBE (HZDR), Elettra, ELISA (ISA),ELSA (Bonn U), ELU-6e, ESRF, HASYLAB (DESY), HLS, INDUS (CAT), MAX-Lab, MLS, LNLS, NSLS, PAL, SESAME, SLS (PSI), SPEAR (SSRL, SLAC), SOLEIL, SPring-8, SRC (U of Wisconsin), SSRF, SURF III (NIST), TPS, TUNLOtherBATES, IAC, Neptune, PEGASUS, PITZ, S-DALINAC, UNAM, WMUProtonsARRONAX, 88" Cyclotron (LBL), CERI, CNA, CNL (UC DAVIS), COSY (FZ Jülich), ININ, ISIS, IUCF, KEK, LHC (CERN), iThemba, PS (CERN), PSI, RHIC (BNL), SPS (CERN), TRIUMF, TSLLight and Heavy IonsARRONAX, 88" Cyclotron (LBL), AGOR, ANSTO, ANU, ASTRID (ISA), CENPA, CMAM, CNL (UC DAVIS), ATLAS (ANL), CERI, CRYRING (MSL), CYCLONE, ESSB, GANIL, GSI, HISKP, ININ, ISNAP, IUCF, JYFL, LAFN, LAC, LHC(CERN), LHE Synchrophasotron / Nuclotron (JINR), LNL (INFN), LNS (INFN), Maier-Leibnitz-Laboratorium, MIBL, MIC, MPI-HD, iThemba, ORNL, OUAL, PSI, RHIC (BNL), RIBRAS, RUBION, SNS, SPS (CERN), TAMU, TANDAR, TSL,TUNL, U-400 / U-400M (JINR), UAC, UMASS, UNAM, VECCColliderBEPC, CESR, DAFNE (LNF), LHC (CERN), RHIC (BNL), SLC (SLAC), TESLA (DESY), Tevatron (FNAL), VEPP-3, VEPP-4M, VEPP-2000 (BINP)

http://www-elsa.physik.uni-bonn.de/Informationen/accelerator_list.html

Geschichte der Beschleuniger im Detail

1873 Veröffentlichung von ”Treatise on Electricity and Magnetism“ (J. C. Maxwell)1886 Karlsruhe: erster Nachweis elektromagnetischer Wellen (H. Hertz)1895 Würzburg: Entdeckung der R¨ontgenstrahlung (W. C. R¨ontgen)1908 erste Theorie der Synchrotronstrahlung (G. A. Schott)1896 Paris: Entdeckung der Radioaktivität (A. H. Becquerel)1910 Manchester: Entdeckung des Atomkerns (E. Rutherford)1920 Zürich: erster Kaskaden-Generator (H. Greinacker)1922 Grundidee des Betatrons patentiert (J. Slepian)1924 Konzept des Linearbeschleunigers publiziert (G. Ising)1928 Aachen: erster Linearbeschleuniger (R. Wideröe)1929 Prinzip des Zyklotrons (E. O. Lawrence, N. Edlefsen)1931 Princeton: erster Van-de-Graaf-Generator (van de Graaf)1931 Berkeley: erstes Zyklotron (E. O. Lawrence, M. S. Livingston)1932 Cambridge: Cockroft-Walton-Generator, erste Kernreaktion (J. Cockroft, E. Walton)1937 Stanford University: Erfindung des Klystrons (W. W. Hansen, R. Varian, S. Varian)1940 University of Illinois: erstes Betatron (D. W. Kerst, R. Serber)1943 Prinzip des Speicherrings (”Kernmühle“) patentiert (R. Wideröe)1944 Prinzip des Mikrotrons publiziert (V. I. Veksler)1945 Prinzip des Synchrotrons publiziert (E. M. McMillan, V. I. Veksler)1946 Woolwich: erstes Elektronen-Synchrotron (F. K. Goward, D. E. Barnes)1947 Stanford University: erster Elektronen-Linearbeschleuniger (E. L. Ginzton et al.)

Geschichte der Beschleuniger im Detail

1947 New York: erste direkte Beobachtung von Synchrotronstrahlung (F. R. Elder)1947 Studie über Protonen-Synchrotron (M. L. Oliphant)1948 Berkeley: erster Protonen-Linearbeschleuniger (L. Alvarez)1949 Theorie der Synchrotronstrahlung (J. Schwinger)1950 Prinzip der ”starken Fokussierung“ patentiert (N. Christophilos)1953 Birmingham: erstes Protonen-Synchrotron in Brookhaven (M. L. Oliphant)1952 erste Publikation zur ”starken Fokussierung“ (E. D. Courant et al.)1953 Stanford University: erster Undulator (H. Motz)1957 Palo Alto: ”Ubitron“, Vorläufer des Freie-Elektronen-Lasers (R. M. Phillips)1961 Frascati: erster Elektronen-Positronen-Speicherring (B. Touschek)1961 Washington, D.C.:”SURF I“, erste parasitäre Nutzung von Synchrotronstrahlung1965 Prinzip des Energy Recovery Linac publiziert (M. Tigner)1968 University of Wisconsin: erste dedizierte Synchrotronstrahlungsquelle” Tantalus I“1971 Prinzip des Freie-Elektronen-Laser publiziert (J. M. J. Madey)1977 Stanford University: erster Freie-Elektronen-Laser (J. M. J. Madey et al.)2000 DESY/Hamburg: ”TTF“, erster Freie-Elektronen-Laser im UV-Bereich (J. Roßbach et al.)2000 Jeffersen Lab: erster Energy Recovery Linac (G. Neil et al.)2006 Berkeley: 1 GeV Elektronen mit Laser-Plasma-Beschleunigung (W. Leemans et al.)2009 SLAC: ”LCLS“ erster Freie-Elektronen-Laser in Röntgenbereich (J. Galayda et al.)

Quellen

Literatur:K. Wille, Physik der Teilchenbeschleuniger und Synchrotronstrahlungsquellen, Teubner Verlag (1992, Neuauflage 2002)Hinterberger, Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik, Springer Verlag (2008)Rüdiger Schmidt, Einführung in Physik und Technik der Teilchenbeschleunigerhttp://rudi.home.cern.ch/rudi/lectures%20darmstadt/overview.htmde.wikipedia.orghttp://tesla.desy.de/~rasmus/media/Accelerator%20physics/slides/Livingston%20Plot%201.htmlhttp://tesla.desy.de/~rasmus/media/Accelerator%20physics/slides/Livingston%20Plot%202.htmlhttp://www.particlecentral.com/accelerator_page.htmlhttp://asistm.duit.uwa.edu.au/synchrotron/downloads/pdfs/chapter02_2.pdfhttp://www.delta.tu-dortmund.de/cms/Medienpool/Khan_Bilder/Beschleuniger_WS2012/Beschleuniger-Skript-2012.pdfhttp://www.physi.uni-heidelberg.de/~uwer/lectures/PhysikV/Vorlesung/Kapitel-IIIa.pdfhttp://tulectures.web.cern.ch/tulectures/http://www6.physik.uni-greifswald.de/Linearbeschl_Kleinw.pdfhttp://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~tkuhr/HauptseminarWS1112/Schell.pdf