Einführung in die Kern- und Teilchenphysik I Vorlesung

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1 Einführung in die Kern- und Teilchenphysik I Vorlesung Beschleuniger - Kreisbeschleuniger - Linearbeschleuniger - (Supraleitende Magnete)

2 1) Wozu Beschleuniger? Bildquelle: Wikipedia Physik Strukturuntersuchungen (tiefinelastische Strahlung) Erzeugung schwerer Teilchen Medizin Röntgenstrahlung Strahlentherapie Herstellung von Radioisotopen Energieerzeugung Kernfusion Industrie Radiographie mit Röntgenstrahlen Ionen Implantation Isotopen Herstellung/ Trennung Material Untersuchungen Nahrungsmittel Sterilisation Elektronen /Röntgenstrahl Lithographie

3 1.1) Strukturuntersuchungen Um kleine Objekte zu sehen, brauchen wir hohe Energien de Broglie: Ein Teilchen ist auch eine Welle mit: Wir wollen kleine Wellenlängen haben, um kleine Objekte aufzulösen (Beugung etc.) Energie-Wellenlänge Beziehung: hohe Auflösung = hohe Energien

4 1.2) Erzeugung schwerer Teilchen Verfügbar: e, p, n, ν, γ, (μ) Kollision beschleunigter Teilchen (meist e+e, pp, pp) > Erzeugung angeregter und sonstiger Zustände höherer Masse > Erzeugung von Sekundärstrahlen Schwerpunktsenergie muss ausreichen (Schwerpunkts impulserhaltung beachten)

5 2) Prinzip einer Beschleunigeranlage am Beispiel Röhrenfernseher Produktion freier Elektronen durch Erhitzung Elektromagnetische Felder steuern die Teilchen Beschleunigung durch elektrische Felder Beobachtung der Elektronen am Schirm

6 2.1) Teilchenstrahlen aus natürlichen Quellen? Radioaktiver Zerfall α, β, γ Kernspaltung n, Kerne, ν Kosmische Strahlung p Höhenstrahlung π, μ statistischer Prozess geringe Energie (kev - MeV) statistischer Prozess auch hohe Energie (bis 1020 ev) weites Energiespektrum Herkunft? Ursprungsteilchen? -> Teilchenstrahlen in Forschungsanlagen erzeugen und beschleunigen

7 2.2) Teilchenstrahlen Für geladene Teilchen (e,p): Beschleunigung > hohe Energien (E Felder) Bahnablenkung > Kreisbahn, auf Target (B Felder) Fokussierung > räumlich begrenzter Strahl (B Felder) > geringe Impulsunschärfe (Strahlkühlung) > hohe Energiedichte

8 2.2) Teilchenstrahlen Für geladene Teilchen (e,p): Beschleunigung > hohe Energien (E Felder) Bahnablenkung > Kreisbahn, auf Target (B Felder) Hohe Energie? 14 TeV = 2x10 6 J =6x10 13 kwh Fokussierung > räumlich begrenzter Strahl (B Felder) > geringe Impulsunschärfe (Strahlkühlung) > hohe Energiedichte

9 2.2) Teilchenstrahlen Für geladene Teilchen (e,p): Beschleunigung > hohe Energien (E Felder) Bahnablenkung > Kreisbahn, auf Target (B Felder) Hohe Energie? 14 TeV = 2x10 6 J =6x10 13 kwh Fokussierung > räumlich begrenzter Strahl (B Felder) > geringe Impulsunschärfe (Strahlkühlung) > hohe Energiedichte Konzentriere die Energie auf einen kleinen Punkt.

10 2.3) Strahlführung Magnete werden zur Strahlführung benutzt: Dipolmagnete dienen zur Strahlablenkung optische Analogon: Prisma

11 2.3) Strahlführung Magnete werden zur Strahlführung benutzt: Dipolmagnete dienen zur Strahlablenkung optische Analogon: Prisma Fokussierung durch Quadrupolmagnete optische Analogon: Linsen Positives Teilchen an A nicht abgelenkt B nach innen abgelenkt C nach aussen abgelenkt

12 2.3) Strahlführung fokussierend defokussierend Quadrupol als dünne Linse

13 2.3) Strahlführung Eine Kombination aus fokussierenden und defokussierenden Elementen erzeugt einen Fokus: Die Kombination zweier Quadrupole, welche um 90 verdreht sind, ist fokussierend für geladenen Teilchen.

14 2.3) Strahlführung Optik (Linse 1 und 2): Falls f1 = f2 fokussierend Starke Fokussierung

15 3) Beschleunigertypen - Kreisbeschleuniger - Linearbeschleuniger

16 3.1) Van-de-Graaf-Beschleuniger 1930 (U = 1.5 MV) [heute bis ~ 25 MV] Umwandlung mechanischer in elektrische Energie Entladungen begrenzen max. Spannung Druckbehälter mit trockenem Gas (N2, CO2, SF6)

17 3.1) Van-de-Graaf-Beschleuniger Bildquelle: Wikipedia

18 3.1) Tandem-Van-de-Graaf-Beschleuniger Bildquelle: Wikipedia Nicht geeignet für Elektronen (Ladungsänderung) und Edelgase (Ionisation) Stripperfolie oder Gasstrecke

19 3.2) Paschen Gesetz: in einem homogenen Feld ist die Durchschlagspannung eine Funktion des Produkts aus Gasdruck und Elektrodenabstand niedriger Druck lange Weglänge der Elektronen zwischen Stößen hoher Druck hohe Spannung nötig um Gas zu ionisieren [Wikipedia]

20 3.2) Cockcroft-Walton-Beschleuniger 1919/1932 Bildquelle: Wikipedia Umax limitiert durch entstehen einer Gasentladung bei hohen Feldstärken Beschleunigungspannung: 750 kv

21 3.2) Cockcroft-Walton-Beschleuniger Hochspannungskaskade Bildquelle: Wikipedia Wechselspannung > hohe Gleichspannung (bis einige MeV)

22 3.2) Cockcroft-Walton-Beschleuniger

23 3.3) Dynamitron-Tandem-Beschleuniger Ablenkmagnete Analysiermagnet definiert Energie RUBION Ruhr-Universität ähnlich Cockroft-Walton-Beschleuniger Wechselspannung->hohe Gleichspannung durch Gleichrichterelemente in Serie Bildquelle: RUBION

24 3.3) Dynamitron-Tandem-Beschleuniger Bildquelle: RUBION 500 kv Beschleuniger 100 kv Ionenquellenteststand MED Implanter Ionenquelle für Strahlentherapie

25 3.4) Kreisbeschleuniger a) Betatron b) Zyklotron c) Mikrotron Im Bereich der grauen Fläche wirkt jeweils ein Magnetfeld. d) Synchrotron

26 3.4) Kreisbeschleuniger

27 3.4) Kreisbeschleuniger

28 3.5) Zyklotron 1932: Inbetriebnahme des ersten Zyklotrons (E. O. Lawrence und M. S. Livingston) Ernest O. Lawrence Lawrence Berkeley National Laboratory (1939)

29 3.5) Zyklotron = Duanten

30 3.5) Zyklotron Protonen bis 25 MeV nicht für Elektronen -> Betratron

31 3.5) Zyklotron Berkeley Zyklotron Bildquelle: Wikipedia Anwendung in der Medizin: Strahlentherapie Herstellung von Radionukliden (PET z.b.)

32 3.6) Betatron Für Elektronen/Positronen bis 200 MeV 1935 keine Beschleunigungselektrode zeitliche veränderliches Magnetfeld Bildquelle: Wikipedia

33 3.7) Mikrotron Für Elektron/Positron bis 50 MeV Einzelresonator Linearbeschleuniger Schema des klassischen Mikrotrons Schema des Rennbahnmikrotrons Quelle: de.wikipedia.org

34 3.7) Mikrotron Mainzer Mikrotron Bildquelle: Wikipedia

35 3.8) Synchrotron (Sonderform: Speicherring)

36 3.10) Linearbeschleuniger (LINAC) für Elektronen Kreisbeschleuniger: hohe Energie durch lange Beschleunigung aber Synchrotonverluste

37 3.10) Linearbeschleuniger

38 3.10) Linearbeschleuniger

39 3.9) Beschleunigung durch el. Wechselfelder Wanderwellenschleuniger Elektroenn hoehe Energie lange Beschleunigung Kries Synchrotonverluste

40 3.10) Linearbeschleuniger: SLAC SLAC National Accelerator Laboratory (SNAL) Wanderwellenschleuniger

41 3.10) Linearbeschleuniger: SLAC Bildquelle:

42 Experimentelle Methoden: Beschleuniger Aufbau von Quadrupolmagneten Normalleitend: Aufgebaut aus Eisen (Vermeidung von höheren Multipolen) und normalleitenden Spulen (meist wassergekuhlte Kupferspulen)

43 Experimentelle Methoden: Beschleuniger Exkurs: Supraleitung Ohne Ohmsches Gesetz: keine Energieverluste (Kühlung berücksichtigen) hohe Stromdichte kein Eisen nötig Folgerungen: geringe Betriebskosten hohe Stromdichte kleinere, leichtere Magnete höhere Magnetfelder Nb-Ti Conventional iron electromagnets

44 Experimentelle Methoden: Beschleuniger thus the mercury at 4.2 K has entered a new state, which, owing to its particular electrical properties, can be called the state of superconductivity H. Kamerlingh-Onnes (1911)

45 Experimentelle Methoden: Beschleuniger Mini-Einführung: Supraleitung Supraleitung ist die Eigenschaft mancher Materialien. Bei niedrigen Temperaturen (z.b. 1.9 K) geht deren Widerstand gegen Null Die Supraleitung bleibt erhalten, wenn die Stromdichte, Temperatur und B-Feld unterhalb der kritischen Oberfläche bleiben Die Distanz zwischen dem Arbeitspunkt und der kritischen Oberfläche für für gegebenes B und Stromdichte ist die Temperatur Bandbreite Der Übergang in den normalleitenden Zustand heisst Quench

46 Experimentelle Methoden: Beschleuniger Das Quench-Problem: Die magnetische Feldenergie L wird in Wärme umgewandelt: RI. 2 Falls dies gleichmässig in der Spule passiert: Cu schmilzt bei 1356 K dies entspricht E = J/m3 m die Grenze wäre Bmax 115 T: Kein Problem Jedoch findet dieser Prozess nicht gleichmäßig verteilt statt, sondern in einem sehr kleinen Raumbereich. R

47 Experimentelle Methoden: Beschleuniger Das Quenchen von supraleitenden Magneten ist normal. Deshalb muss man gute Sensoren haben und Schutzmaßnahmen treffen. Quench initiation Local heating (hot spot) Normal zone propagation Voltage development Quench detection Safety discharge

48 Experimentelle Methoden: Beschleuniger Schutzmaßnahmen: Ein guter Leiter (z.b. Ag, Al, Cu) zusätzlich zum Supraleiter limitiert die maximale Temperatur beim Quenchen. Die Quench-Folgen können durch folgende Maßnahmen abgeschwächt werden: Reduktion der Stromdichte Reduktion des induktiven Widerstands und Anhebung der Entladungsspannung, um den Magneten so schnell wie möglich zu entladen.

49 During tests the energy of 7 MJ in one magnet was released into one spot in the coil (interturn short) P.Pugnat

50 Experimentelle Methoden: Beschleuniger Die aufgenommene Wärme muss weniger als 10mW/cm3 sei, um ΔT > 2 K (kritische Temperaturbegrenzung für NbTi) zu vermeiden. Eine 1.2m lange Neonröhre mit = 26mm und 36 W hat eine Energiedichte von 56 mw/cm3 Dies kann 5 große LHC-Magnete am CERN quenchen, denn man braucht die Energie nur in einem cm3.

51 Experimentelle Methoden: Beschleuniger Welches Kühlmittel? Superfluides Helium

52 Experimentelle Methoden: Beschleuniger LHC cryogenics does need 40,000 leak-tight pipe junctions. 12 million litres of liquid nitrogen will be vaporised during the initial cooldown of 31,000 tons of material and the total inventory of liquid helium will be 700,000 l (about 100 tonnes)

53 Experimentelle Methoden: Beschleuniger IC(5 T, 4.2 K) 1 ka Pressen und kalt ziehen Wärmebehandlung NbTi ist eine biegsame Legierung, die große Deformationen aushält LHC Draht 1 mm NbTi Rohling

54 Experimentelle Methoden: Beschleuniger Supraleitend Supraleitend: Aufgebaut aus supraleitenden Spulen (meist aus NbTi, gekuhlt mit fl. Helium) fur T<Tc fließt Strom ohne Widerstand Feldverteilung ausschliesslich durch Stromdichteverteilung gegeben Vermeidung von höheren Multipolen nur durch sehr genaue Spulenwicklung erreichbar (IQ(φ)=I0 cos(2φ))

55 Experimentelle Methoden: Beschleuniger KEK - normalleitend Fermilab - supraleitend LHC - supraleitend

56 Experimentelle Methoden: Beschleuniger Dipolmagnete zur Strahlablenkung Normalleitend: Aufgebaut aus Eisen (Verbesserung der Homogenität des Feldes) und normalleitenden Spulen (meist wassergekuhlte Kupferspulen) B 2T wegen Sättigungsmagnetisierung von Eisen (HFe steigt mit I BSpalt steigt kaum noch an wenn I ansteigt) Supraleitend: supraleitenden Spulen (meist aus NbTi, gekuhlt mit fl. Helium) fur T<Tc fließt Spulenstrom ohne Widerstand Feldverteilung ausschliesslich durch Stromdichteverteilung gegeben Homogenes Feld nur durch sehr genaue Spulenwicklung erreichbar (ID(φ)=I0 cos(φ)) Erreichbare Magnetfelder von B 10T

57 Experimentelle Methoden: Beschleuniger Dipolmagnete am Fermilab Main Injector Normalleitend ; B=1,7T ; L=6m ; I(150GeV)=9244A ; Gewicht 17t

58 Experimentelle Methoden: Beschleuniger Dipolmagnete mit einem Strahlrohr (für Teilchen-Antiteilchen) B = 4,2T ; T = 4K ; NbTi Tevatron: 774 Dipolmagnete

59 Experimentelle Methoden: Beschleuniger Dipolmagnete mit zwei Strahlrohren (für Teilchen-Teilchen) LHC B = 8,3T ; L = 15m ; T = 1,9K ; NbTi ; Gewicht = 35 t

60 Experimentelle Methoden: Beschleuniger Bnominal 8.3 current stored energy cold mass 35 (T) (A) 10 (MJ) (tonnes)

61 Experimentelle Methoden: Beschleuniger J +J Ideal current distribution that generates a perfect dipole J +J Practical approximation of the ideal distribution using Rutherford cables

62 Experimentelle Methoden: Beschleuniger Identische Teilchenstrahlen in entgegengesetzter Richtung unterwegs Magnetfeldlinien mussen in entgegengesetzte Richtung zeigen Zwei Magnete in einem spart Kosten, Volumen und Material

63 Experimentelle Methoden: Beschleuniger B B

64 Experimentelle Methoden: Beschleuniger Cable insulation 10 µm precision! Stored coils B Coil winding machine B

65 Experimentelle Methoden: Beschleuniger Layer jump Inner layer Ends, transitions, and any deviation from the regular structure are the most delicate part of the magnet

66 Experimentelle Methoden: Beschleuniger LHC Unfall am Auszüge aus dem Report von CERN-Generaldirektor R. Aymar

67 Interconnects PECFA 28 November

68 Busbar splice PECFA 28 November

69 Summary Report on the analysis of the 19th September 2008 incident at the LHC Sequence of events and consequences Within the first second, an electrical arc developed and punctured the helium enclosure, leading to release of helium into the insulation vacuum of the cryostat. The spring-loaded relief discs on the vacuum enclosure opened when the pressure exceeded atmospheric, thus relieving the helium to the tunnel. They were however unable to contain the pressure rise below the nominal 0.15 MPa absolute in the vacuum enclosures of subsector 23-25, thus resulting in large pressure forces acting on the vacuum barriers separating neighboring subsectors, which most probably damaged them. These forces displaced dipoles in the subsectors affected from their cold internal supports, and knocked the Short Straight Section cryostats housing the quadrupoles and vacuum barriers from their external support jacks at positions Q23, Q27 and Q31, in some locations breaking their anchors in the concrete floor of the tunnel. The displacement of the Short Straight Section cryostats also damaged the jumper connections to the cryogenic distribution line, but without rupture of the transverse vacuum barriers equipping these jumper connections, so that the insulation vacuum in the cryogenic line did not degrade. PECFA 28 November

70 Q27R3 PECFA 28 November

71 QQBI.27R3 PECFA 28 November

72 Experimentelle Methoden: Beschleuniger