Ringbeschleuniger und Speicherringe

Transkript

1 Ringbeschleuniger und Speicherringe Prof. Dr. Oliver Kester Sabrina Geyer Dr. Peter Forck Motivation Ringbeschleuniger

2 2 Vorlesung mit Übungen: Das Team Prof. Dr. Oliver Kester Dr. Peter Forck Sabrina Geyer Institut für Angewandte Physik Goethe-Universität Frankfurt und GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt

3 3 Übersicht Semesterinhalte Zeiten: Freitag Uhr Vorlesung, Uhr Übungen Raum: 2.201a Skript unter unter dem Punkt Vorlesungen Termin Thema Übung Dozent Vorbesprechung: Motivation Kester Historische Entwicklung, Grundlagen Kester Lineare Strahloptik, Bewegungsgleichungen Transformationsmatrizen Übung 1 Geyer Kein Vorlesung Emittanz- und Phasenraumkonzept Übung 2 Kester Bauelemente im Beschleunigerbau, Ablenkmagnete, Multipole Übung 3 Kester Transversale Strahldynamik: AG Fokussierung Übung 4 Kester Transversale Strahldynamik: Dispersion, Strahlstabilität, Resonanzen Übung 5 Kester Longitudinale Strahldynamik: HF-Beschleunigung, Cavities Übung 6 Forck Longitudinale Strahldynamik in Ringen Übung 7 Geyer Strahldiagnose in Ringbeschleunigern Übung 8 Forck Injektion, Extraktion bei Ringbeschleunigern Übung 9 Kester Raumladung Quiz Kester Strahlkühlung und Anwendung Kester

4 4 Literatur Hinterberger, Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik, Springer 1997 Wiedemann, Particle Accelerator Physics, Springer Berlin, 3. Auflage, Klaus Wille, The Physics of Particle Accelerators: An Introduction, Oxford University Press, 2000 S. Humphries, Jr., Charged Particle Beams, J. Wiley & Sons S. Y. Lee, Accelerator Physics, Second Edition, World Scientific 2004 P. J. Bryant and K. Johnsen, The Principles of Circular Accelerators and Storage Rings, Cambridge University Press, 1993 D.A. Edwards, M. J. Syphers, An introduction to the physics of high energy accelerators, Wiley-VCH, 1992 E.J.N. Wilson, An introduction to particle accelerators, Oxford University Press, 2001 M. Reiser, Theory and Design of Charges Particle Beams, Wiley-VCH 2008 CERN Accelerator School, CERN Vol.I&II

5 5 Was ist ein Teilchenbeschleuniger? Die kann man in ebay kaufen! Dies nicht!

6 6 Beschleunigung von geladenen Teilchen Mit einem elektrischen Feld 1 ev = e * (1 Volt) = *10-19 J Elektronen

7 7 Kreisbeschleuniger: Das Zyklotron 2 mv r qvb v r c q m B Zyklotronfrequenz

8 8 Typisches Zyklotron Konstantes Magnetfeld und HF-Frequenz Die Strahlenergie ist durch relativistische Effekte limitiert lso-zyklotron

9 9 TRIUMF K500 Cyclotron Größtes Zyklotron der Welt: TRIUMF, Vancouver

10 10 Das Synchrotron Magnetfeld und HF- Frequenz werden synchron zur Teilchenenergie verändert. Magnete 2 mv r qvb

11 11 Beispiele für Magnete in Beschleunigern Ein Dipolmagnet im SIS18

12 12 Bewegung der Teilchen im Ring - Strahldynamik y Sollteilchen = Referenzteilchen sitzt immer im Ursprung von K alle anderen Teilchen besitzen Koordinaten (x, y, s) relativ zum Sollteilchen

13 Ablenkmagnet und Einfluß auf die Strahldynamik 2 mv qvb B mv q p q Magnetische Steifigkeit des Strahls Motivation Ringbeschleuniger 13

14 14 Starke und schwache Fokussierung Schwache Fokussierung: Ablenkmagnet hat konisch geformte Polschuhe natürliche (geometrische) Fokussierung im Ring Starke Fokussierung: Fokussierung durch Quadrupole Ablenkmagnete haben ebene Polschuhe Courant, Livingston und Snyder 1952

15 15 Schwach fokussierende Synchrotrone Cosmotron, Brookhaven, 3.3 GeV Protonen 500 MeV Elektron- Synchrotron Uni Bonn

16 16 Typisches Synchrotron

17 17 Extreme Beispiele für Synchrotrons oder Speicherringe Kleinster Kreisbeschleuniger PALLAS (LMU München) Größter Speicherring LHC am CERN in Genf Bild Pallas Energie im Strahl entspricht 80 kg TNT

18 18 Resonante Kavität Hohlraum-resonator = resonant cavity "pill box cavity" U o L C R p st

19 Strahlemittanz x x' p z p x z x p p x z Transverse phase space X', Y' X, Y x o ' x' x o ' x o z -x o x o x -x o -x o ' x o -x o ' -x o ' x' x o ' z -x o x o x -x o x o ' -x o ' Motivation Ringbeschleuniger 19

20 20 Resonanzen und Raumladung (Strahlstabilität) Measurements -dn/n Anzahl der transversalen Oszillationen pro Umlauf = tune Q (x,y) G. Franchetti et al., GSI-Acc-Note

21 21 Raumladungseffekte Strahlrohr x Halo Formierung z z Measurements -dn/n Arbeitspunkt Resoanz aufgrund von Feldfehlern Kreuzen von Resonanzen ΔQ Z2 A G. Franchetti et al., GSI-Acc-Note

22 22 Tumortherapie mit Teilchenstrahlen Erforderliche Energie für 20 cm Eindringtiefe: Protonen 175 M(illionen) ev C (Kohlenstoff) 396 MeV O (Sauerstoff) 720 MeV Erfordert ein Synchrotron!

23 23 Tumortherapieentwicklungen bei GSI

24 24 HIT Beschleuniger in Heidelberg

25 25 GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Ion sources UNILAC SIS18 ESR