Beschleuniger-Technologien der Zukunft
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- Ludo Schumacher
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1 Beschleuniger-Technologien der Zukunft Plasma und Co. Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft Berlin Adlershof, 10. Mai 2014
2 Beschleunigertypen > Gleichspannung (statisch) > Wechselspannung (dynamisch) Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 2
3 Anwendungen > Grundlagenforschung Collider: Higgs und Co. Freie Elektronen Laser: Materialforschung etc. > Medizin Krebstherapie (Bestrahlung) > Sicherheit Durchleuchtung von LKWs, Containern etc. (Alternative zu Röntgen) > Technologie Röhrenfernseher Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 3
4 Motivation > Warum ein neuer Beschleunigertyp wir können das doch schon? > Herkömmliche Beschleuniger funktioneren sehr gut sind aber auch sehr groß (und sehr teuer ) Beispiele Elektronenbeschleuniger: Name Endenergie Größe (Durchmesser bzw. Länge) BESSY II 1.7 GeV 76 m PETRA 19 GeV 730 m HERA 27.5 GeV 2 km LEP 105 GeV 8,6 km SLC (linac) 50 GeV 3,2 km Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 4
5 Problem von herkömmlichen Beschleunigern > Grundsätzliches Problem: Mikroskopische Teilchen werden mit makroskopisch erzeugten Feldern beschleunigt Kleine Feldstärke Großer Beschleuniger > Neue Idee: Plasmabeschleuniger Plasma Gas wake Nutze mikroskopische Felder (Felder zwischen Elektronen und Ionen in einem Plasma) diese sind sehr groß, da die Ladungen sehr dicht zusammen sein können ohne die Baumaterialien zu zerstören > Problem: Man kann keine Magneten, Resonatoren etc. aus einzelnen Atomen zusammensetzen > Lösung: Gezielte Ionisation eines Gases zu einem Plasma mit den gewünschten Eigenschaften Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 5
6 Wie stark kann man beschleunigen? > Maß für die Beschleunigung: Elektrische Feldstärke (Gradient) > Herkömmliche Beschleunigerkavitäten: Bis zu 100 MV/m > Möglich mit Plasmabeschleuniger: Bis zu 1 TV/m!!! = MV/m Plasmabeschleuniger kann mal stärker sein!! > Beispiel: International Linear Collider (ILC) Endenergie: 500 GeV Geplante Länge mit herkömmlicher Technik: 30km Möglich mit Plasmabeschleunigung: 3m Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 6
7 Neuer Beschleunigertyp: PWA > Statischer Beschleuniger geht nicht, da man die Ionen nirgendwo festmachen kann > Deshalb: Dynamischer Beschleuniger mit Wanderwelle Plasmawanderwellenbeschleuniger P W A lasma akefield ccelerator Wake : Kielwasser Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 7
8 Grundprinzip > Beschleunigung eines Elektrons mit einer Wanderwelle > Bei optimaler Ausnutzung von Nichtlinearitäten sind extrem starke Beschleunigungen möglich Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 8
9 Die Kraftquelle > Wie treibt man eine Plasmawelle? A) Mit einem starken Laserpuls LDPWA Laser Driven B) Mit einem Teilchenstrahl PDPWA Particle Driven Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 9
10 Simulation von Lasergetriebener Plasmabeschleungung Typische Längenskala: Plasma wellenlänge Plasma wake Plasma Hochintensiver Laser: ~ 5 J / 25 fs ~ 5 fs PIC simulation (M. Geissler) E z ~ TV/m Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 10
11 Demonstration von Strahlgetriebener Plasmabeschleungung > Experiment am SLAC (bei San Francisco) in 2006: 1. Beschleunigung der Elektronen mit dem 3 km langen Beschleuniger auf Endenergie (42 GeV) 2. Verdoppelung der Elektronenenergie (auf 84 GeV) in einer 85 cm langen, angeschlossenen Plasmazelle From: Blumenfeld et al. Nature 445, p. 741 > ABER: Nur wenige Elektronen in dem Strahl erreichen diese Energie der Strahl ist danach für andere Experimente unbrauchbar Tacho > Deshalb: Noch viel mehr Forschung ist benötigt! Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 11
12 Plasmabeschleunigung: Weltweite Forschungsaktivitäten mit Konzentration in Europa Deutsches Elektronen- Synchrotron Courtesy: Ralph Aßmann Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 12
13 DESY, Standort Zeuthen > Ehemaliges Institut für Hochenergiephysik in Zeuthen (Akademie der Wissenschaften der DDR). Wurde an DESY (Deutsches Elektronensynchrotron / Hamburg) am 1 st Januar 1992 angegliedert. > 200 Mitarbeiter (50 Wissenschaftler) Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 13
14 current PITZ 2.0 setup
15 Plasmabeschleunigung: Geplantes Experiment am CERN > Teilchenstrahlgetrieben > Übertrage Energie eines Protonenstrahls auf einen Elektronenstrahl > Problem: Für eine starke Beschleunigung werden sehr kurze (0,1 mm) Protonenpakete gebraucht Exististierende Protonbeschleuniger liefern sehr viel längere Pakete (10 cm) > Lösung: Selbstmodulation Courtesy: Patric Muggli Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 15
16 Ausgangsposition Elektronen- Strahl: 6mm lang 0,1mm Durchmesser Plasma (nur Elektronen dargestellt) Gleichmäßig verteilt Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 16
17 Eintritt in das Plasma Plasma (nur Elektronen dargestellt) Elektronen- Strahl Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 17
18 Beginn der Aufteilung in Pakete Plasma (nur Elektronen dargestellt) Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 18
19 Fortschreitende Aufteilung Plasma (nur Elektronen dargestellt) Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 19
20 Fortschreitende Aufteilung Plasma (nur Elektronen dargestellt) Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 20
21 Nach dem Plasmadurchgang Plasma (nur Elektronen dargestellt) Elektronen- Strahl In Pakete aufgeteilt Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 21
22 Plasmazelle Wasserkühlung Thermische Isolierung Heizung Design: Gerald Koss e - Helium Verteilung Fenster für Elektronen Laserfenster Laserspiegel Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 22
23 Plasmazelle: Einbau in den Beschleuniger Design: Gerald Koss / Alexander Donat / Sebastian Philipp Fokussiermagnete Plasmazelle Elektronenstrahl Ionizationslaser Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 23
24 Ausblick > Konzept für einen Plasma Linearbeschleuniger Aus: Leemans et al. Physics Today, March 2009, p. 44 Matthias Gross Beschleuniger-Technologien der Zukunft 10. Mai 2014 Page 24
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