III. Experimentelle Methoden. 1. Teilchenbeschleuniger. Kosmische Höhenstrahlung

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1 III. Experimentelle Methoden 1. Teilchenbeschleuniger Höhere Schwerpunktsenergien Bessere Auflösung von Substrukturen Erzeugung neuer (schwerer) Teilchen Kosmische Höhenstrahlung Für lange Zeit war die kosmische Höhenstrahlung die einzige Quelle hochenergetischer Teilchenstrahlung Entdeckt wurde die kosmische Höhenstrahlung 191 durch V.Hess: Intensität ionisierender Strahlung nimmt mit der Höhe zu. (Nobelpreis 1936) Ballon-Experiment von Hess 86% Protonen Referenz: Beschleunigungsmechansimus: Supernovae-Explosionen Skalierte Darstellung: γ I ( E) ~ E I( E) E.5 Strukturen: Knie und Knöchel (bislang unverstanden) Neue Daten von AUGER (AGASA) + + p γ? 1

2 Referenz: Hochenergetische Primärteilchen (p, γ) erzeugen in Kollision mit Kernen der Luft Sekundärteilchen - Schauer Entdeckung neuer Teilchen: Positronen Myonen Pionen 1.1 Teilchenbeschleunigung und Linearbeschleuniger Alle Laborbeschleuniger nutzen elektrische Felder. K.Wille, Physik der Teilchenbeschleuniger und Synchrotronstrahlungsquellen, Teubner a) Statische Beschleunigung Prinzip der Elektronenröhre E = qu Analog anwendbar auch für Ionen Probleme: Spannungsstabilität bei Leckströmen Erzeugung hoher Spannungen Betrieb bei hohen Spannungen (Koronabildung, Überschläge) U +

3 Cockroft-Walton Kaskaden- Hochspannnungsgenerator (~1930) ~ 1... MV Van de Graaff Beschleuniger: (1930) Korona-Effekt wird genutzt um positive Ladung auf Generatorband zu sprühen ~ MV Betrieb von Generator und Beschleuniger in einem mit Isoliergas (SF 6 bei bis zu 10 bar) gefülltem Tank ~ 10 MV 3

4 Tandem Beschleuniger: (Van de Graaff, 1936) Nutzt die Beschleunigungsspannung durch Umladen der beschleunigten Ionen doppelt ~0 MeV (bei einfach geladenen Ionen) E max = ( q + q + ) U ( q + q + ) 10 MV Tandem-Beschleuniger, MPI für Kernphysik, Heidelberg b) Beschleunigung mit Hochfrequenz (HF) Spannungen Elektrostatische Beschleunigung durch Koronabildung/Überschläge begrenzt Idee: Mehrfache Benutzung einer Hochfrequenzspannung (Ising, 195) Realisierung durch Wideröe (198): Erster HF Linearbeschleuniger THF i l = β i vi = ν HF ν HF Obwohl eine max. Spannung U 0 nie überschritten wird können im Prinzip beliebig hohe Teilchenenergien erzeugt werden: E = i qu sinψ Phase Länge d. Driftröhren müssen mit Teilchenenergie zunehmen i 0 s 4

5 Phasenfokssierung: Energie der Teilchen hängt von der Phasenlage ψ s ab Phasenfokussierung um Sollphase: Arbeitspunkt nicht am Maximum (π/) sondern früher E verspaetet β < 1 synchron t verspätete Teilchen sehen größeres Feld zu schnelle Teilchen sehen kleineres Feld Schwingung der Teilchen um Soll(Arbeits)phase Phasenfokussierung ist für alle HF Beschleuniger von fundamentaler Bedeutung c) Hohlraumresonatoren (Kavitäten, cavities) Statt einfachen Driftröhren werden heute fast ausschließlich Hohlleiterstrukturen zur Beschleunigung verwendet. Durch Einstrahlung elektromagnetischer HF Strahlung kommt es zur Ausbildung von stehenden Wellen bzw. Wanderwellen: Stehende Wellen: TM 01 Mode = Transversales magn. Feld Longuitudinales elektr. Feld Wanderwellen: Linacs Teilchen reiten auf Wellenberg Problem für Teilchen mit v c: i.a. v Phase > c Lösung: Alvarez-Struktur Runzelröhre transv. elektr. Iris-Blenden verringern Phasengeschw. 5

6 Erreichbare Strahlenergien bei Linearbeschleunigern Maximale Strahlenergie ~ max. Feldgradient in Kavitäten ~ Länge (Zahl der Kavitäten) Beschleuniger SLC (bis 1997) TESLA / ILC (Projekt) Länge 3 km 16.5 km Feldgradient ~ 15 MV/m bis ~ 40MV/m Strahlenergie 45 GeV ( ) GeV Projekt Vorschlag TESLA Supraleitende Cavities Gemeinsame internationale Collaboration: International Linear Collider (ILC) 1. Kreisbeschleuniger Linearbeschleuniger: beliebig hohe Energien aber Kosten wachsen proportional an Idee: Teilchen auf Kreisbahn können Beschleunigungsstrecken mehrfach durchlaufen a) Zyklotron (erster Kreisbeschleuniger) Prinzip, 1930, E.O. Lawrence Erstes nutzbares Zyklotron, 193 Lawrence / Livingston B T ω HF Für nicht relativistische Teilchen: ωhf = ωcyclo = const. m ω r = evb e ω Cyclo = B m ω Cyclo =! ω HF max mv q RmaxB E kin = = m 6

7 Zyklotron Mit klass. Zyklotrons können Proton/Deuteron/ α- Teilchen auf etwa MeV pro Elementarladung beschleunigt werden Bewegung ist nicht-relativistisch und die Umlauffrequenz ist konstant. Für hohe Energien: m γm Synchro-Zyklotron: HF wird während Beschleunigung synchron heruntergefahren 600 MeV 7

8 b) Betatron D.W. Kerst, 1940 Zyklotron: Magnetfeld konst. Bahnradius wächst mit Energie an Betatron: Magnetfeld wird erhöht Bahnradius bleibt konstant Zeitl. veränderliches B-Feld induziert beschleunigendes E-Feld = Wechselstromtransformator mit Teilchen als Sekundärspule Mit Induktionsgesetz findet man die Betatron-Bedingung: r 1 r r B( r0, t) = B( t) + B 0 Pole des Magneten müssen entsprechend gestaltet sein um stabile Teilchenbewegungen zu erhalten Über Fläche der Kreisbahn r 0 gemitteltes Magnetfeld Korrekturfeld mittels Korrekturspulen erlaubt Justierung der Teilchenbahn Bem.: Teilchen führen transversale Schwingungen um die Idealbahn aus: Betatron-Schwingungen Heute bezeichnet man transversale Schwingungen in Beschleunigern allgemein als Betatron-Schwingungen D.W. Kerst (1940) erstes Betatron: E(e).3 MeV Limitierung: (Synchro-Zyklotron & Betatron ) Bahnradius wächst für relativ. Teilchen (β 1) an E E R = β ecb ecb Magnetfeld limitiert B 1.5 T (normalleitende Dipole) B 5 T (supraleitende Dipole) 8

9 c) Synchrotron Prinzip entwickelt von E.M. McMillan (1945) V. Veksler (1945) Bahnradius wird sehr groß: Dipolfeld nur noch im engen Bereich der Sollbahn B-Feld muss mit Teilchenenergie E hochgefahren werden E R = ecb Maschinenradius > Dipolradius Anfang der 50er Jahre entstand das erste 3 GeV Proton-Synchrotron Cosmotron am Brookhaven National Lab Synchrotron-Betrieb Nicht möglich Synchrotron von Null hochzufahren! Einschussimpuls p i Umlauffrequenz ω Cyclo ω Cyclo, i π = T Cycl, i pic = RE i für B-Feld muss immer gelten: p B = Muss stets nachgefahren qr werden für HF muss gelten: ωhf = n ω Cyclo muss nachgefahren werden, bis Teilchen hochrelativistisch (p E). Danach ist HF konstant: ω = nc HF R 9

10 d) Fokussierung Strahlen durchlaufen den Ring viele tausend Mal aufgrund unvermeidbarer Divergenz ist eine Fokussierung des Strahls notwendig Schwache Fokussierung Prinzip der schwachen Fokussierung aufgrund der homogenen Ablenkmagneten: Teilchen zur nominellen Bahn hingebogen Schwache radiale Strahl-Fokssuierung Dipole mit großer Apertur notwendig Durchbruch bei Strahlfokussierung und damit auch für Bau großer Synchrotrone: Starke Fokussierung Starke Fokussierung Idee: Kombination aus fokussierender + defokussierender Linse = fokussierend f f comb = d (1) Alternating Gradient Synchrotron (AGS) Gradient a) Spezielle Formgebung der Polschuhe b) Wechsel mit gespiegelter Magnet Konfiguration Radiale Fokussierung Vertikale Fokussierung - CERN 5 GeV Proton Synchrotron (1959) - Brookhaven 33 GeV AGS (1960) Zum Vergleich: Dipol-Apertur des Cosmotrons bzw. AGS 10

11 () Quadrupol-Magnete Heute werden zur Strahlfokussierung Einheiten aus zwei hintereinander geschalteten Dipolen verwendet. Fokussierung in einer / Defokussierung in anderen Ebene e) Phasenfokussierung beim Synchrotron β 1 R = p eb Synchrotronschwingungen um die Sollphase 11

12 e) Synchrotronstrahlung Geladene Teilchen (Elektronen) emittieren unter dem Einfluss der Kreisbeschleunigung Synchrotronstrahlung (begrenzt Energie von e-beschleunigern): Hartes Röntgenspektrum Abgestrahlte Leistung: Energieverlust pro Umlauf: (für Elektronen) P = 1 6πε 0 α = β γ 3R E = e c 4 4 β γ R 4 4 β 1 = 5 E α E 3R m 4 4 [GeV ] MeV R [km] 1 ~ m 4 4 (SI-Einheiten) (Natürliche Einheiten) LEP : ~3 GeV 13 vernachlässigbar für Protonen: E( p) = 10 E( e) Speicherring-Anlagen: LEP e e bei s = 90K 00GeV 8.6 km Limitiert durch HF Power zur Kompensation von Synchrotronstrhl. 1

13 Proton-Anlagen HERA e( 30 GeV) + p(90 GeV) Energie bei Proton-Synchrotronen limitiert durch magnetische Dipole Name E B Umf. B-Feld Dipole SPS 30 GeV 6.9 km 1.4 T 744 Supraleitende Dipole HERA LHC 90 GeV 7 TeV 6.3 km 7 km 4.6 T 8.3 T Large Hadron Collider - LHC Supraleitender Dipol R Umfang Magnete Magnetfeld Teilchen s Max. Luminosität Kollisionsrate km 13 supraleitendene (1.9K) Dipole 8.3 T (9 T max) Protonen und schwere Ionen 14 TeV (Protonen) 5.5 x A TeV (Ionen) cm - s MHz in 1 Dipole Länge ~ 14.3 m 13

14 Limit von Elektron-Maschinen / Proton-Maschinen 14