Einführung zum S-DALINAC Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 1
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- Nadine Tiedeman
- vor 6 Jahren
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1 Einführung zum S-DALINAC Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 1
2 Beispiele für Beschleuniger Größter Beschleuniger der Welt: Large Hadron Collider (LHC) am CERN 27 km Tunnel ( m tief) 7 TeV Energie Ermöglichte Nachweis des Higgs-Bosons Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 2
3 Beispiele für Beschleuniger LHC ist nur ein Beispiel für einen Forschungsbeschleuniger In der Regel sind Beschleuniger viel kleiner Weites Anwendungsfeld in Industrie, Medizin, Forschung Gemeinsamkeit aller Teilchenbeschleuniger: Beschleunigung geladener kleiner Teilchen Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 3
4 Typische Größenordnungen Abstand von Atomen in Materie: 0.3 nm = m 3 kev Atomradius: 0.1 nm = m 10 kev Proton / Neutronradius: 1 fm= m 1 GeV Quark: m 10 GeV B E k h ( E planck k c 2 m 0 c 2 ) Genauere Mikroskope bedeuten höheren Teilchenimpuls und somit komplexere Beschleuniger Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 4
5 Wie beschleunigt man geladene Teilchen? Die Kraft auf ein geladenes Teilchen ist proportional zur Ladung, zum elektrischen Feld, und zum (Kreuz-)Produkt von Geschwindigkeitsvektor und Magnetfeld: Energieänderung nur durch elektrische Felder, im Magnetfeld kann man keine Ladung beschleunigen F q ( E v B) E s2 s1 F ds qu Der Energiegewinn des geladenes Teilchen ist proportional zu dessen Ladung und zur Spannung, die das Teilchen durchläuft. Energieeinheit Elektronenvolt (1 ev = Joule) Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 5
6 Einfacher Teilchenbeschleuniger (elektrostatische Beschleunigung) Typische Spannungen bis 5 MV Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 6
7 Einfacher Teilchenbeschleuniger (elektrostatische Beschleunigung) Größter elektrostatischer Beschleuniger der Welt: Tandem Van-der-Graaf in Daresbury (UK) (in Betrieb von ) > 20 MV!!! Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 7
8 Einfacher Teilchenbeschleuniger (elektrostatische Beschleunigung) Größter elektrostatischer Beschleuniger der Welt: Tandem Van-der-Graaf in Daresbury (UK) (in Betrieb von ) > 20 MV!!! Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 8
9 Erzeugung höherer Teilchenenergien: Prinzip der Beschleunigung durch Wechselfelder Elektrostatisch 10 MV mit viel Aufwand erreichbar Lösung: Umpolen der Beschleunigungsspannung (zum richtigen Zeitpunkt) n Kondensatoren n-facher Energiegewinn Prinzip der Hochfrequenzbeschleunigung t=0 t=1 t= Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 9
10 Synchronität: Anpassung an die Teilchengeschwindigkeit Teilchengeschwindigkeit nimmt durch Beschleunigung zu => Anpassung der Periodenlänge Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 10
11 HF Beschleunigung bei Elektronen Elektronen sind leichte Teilchen Bei elektrostatischer Beschleunigung steigt die Geschwindigkeit sehr schnell. Zahlenwerte: Beschleunigung mit 250 kv => v= 74 % c Ab 10 MeV kaum messbare Abweichung von der Lichtgeschwindigkeit Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 11
12 Hochfrequenzbeschleunigung bei 3 GHz Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 12
13 Hochfrequenzbeschleunigung bei 3 GHz Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 13
14 Beispiele für (elliptische) Beschleunigungsstrukturen 200 MHz 1300 MHz 3 GHz 500 MHz Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 14
15 Supraleitung 1911 entdeckt von Kamerling Onnes an Quecksilber Bei Beschleunigern: Niob (9.5 K) Kühlung mit flüssigem Helium Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 15
16 Supraleitende Beschleunigungsstruktur (S-DALINAC) Für hochfrequente Wechselfelder ist der elektrische Widerstand jedoch ganz Null. Für die elliptischen Niobstrukturen des S-DALINAC ist R 70 nω. 20 Zellen, Länge: 1 m, Gesamtlänge: 1,3 m Material: Frequenz: Mode: Temperatur: E acc : Güte: Niob 2,997 GHz TM 010,π 2 K 5 MV/m Verlustleistung: 4.2 W Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 16
17 Strahlführung: Dipolmagnete zur Ablenkung F q ( E v B) B z N Eisenjoch Parallele Eisenpole F L q v B 2 F m v z R R m v / Spule N q B S S Vakuumkammer Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 17
18 Strahlführung: Quadrupolmagnete zur Fokussierung Hyperbolische Fläche x y = constant Fokussierung in der Horizontalen für Elektronen die auf uns zu fliegen Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 18
19 S-DALINAC Beschleunigerhalle Designparameter: Maximale Energie: Maximaler Strom: Betriebsart: Frequenz: 130 MeV 60 µa cw 3 GHz Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 19
20 Beschleunigerkryostat (S-DALINAC) Requirements: Beam vacuum: Helium vessel: Vacuum vessel: 10-8 mbar 35 mbar 2 bar 10-5 mbar Static heat load: 4 W Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 20
21 Beschleunigerkryostat (S-DALINAC) Stickstoffschild Flüssiger Stickstoff Heliumtank Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 21
22 Beschleunigerkryostat (S-DALINAC) Vacuum vessel LN 2 shielding Helium 2 K Frequency tuner Superconducting cavities & RF couplers Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 22
23 S-DALINAC Übersicht über die gesamte Anlage Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 23
24 Heliumverflüssigung am S-DALINAC Kompressor verdichtet Helium auf > 10 bar (Anschlussleistung: 120 kw) Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 24
25 Heliumverflüssigung am S-DALINAC Kompressor verdichtet Helium auf > 10 bar (Anschlussleistung: 120 kw) Helium verrichtet Arbeit an 2 Turbinen -> Gas kühlt ab Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 25
26 Heliumverflüssigung am S-DALINAC Kompressor verdichtet Helium auf > 10 bar (Anschlussleistung: 120 kw) Helium verrichtet Arbeit an 2 Turbinen -> Gas kühlt ab Gegenstromprinzip -> Wärmetauscher Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 26
27 Heliumverflüssigung am S-DALINAC Kompressor verdichtet Helium auf > 10 bar (Anschlussleistung: 120 kw) Helium verrichtet Arbeit an 2 Turbinen -> Gas kühlt ab Gegenstromprinzip -> Wärmetauscher Gas expandiert und kühlt weiter ab (Joule- Thompson-Effekt) und es bildet sich Flüssigkeit bei 4,2 K. Inversionstemperatur Helium: 35 K Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 27
28 Heliumverflüssigung am S-DALINAC Kompressor verdichtet Helium auf > 10 bar (Anschlussleistung: 120 kw) Helium verrichtet Arbeit an 2 Turbinen -> Gas kühlt ab Gegenstromprinzip -> Wärmetauscher Gas expandiert und kühlt weiter ab (Joule- Thompson-Effekt) und es bildet sich Flüssigkeit bei 4,2 K. Abpumpen auf 35 mbar für 2 K im Kryostaten Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 28
29 Heliumverflüssigung am S-DALINAC Kompressor verdichtet Helium auf > 10 bar (Anschlussleistung: 120 kw) Helium verrichtet Arbeit an 2 Turbinen -> Gas kühlt ab Gegenstromprinzip -> Wärmetauscher Gas expandiert und kühlt weiter ab (Joule- Thompson-Effekt) und es bildet sich Flüssigkeit bei 4,2 K. Abpumpen auf 35 mbar für 2 K im Kryostaten Mit Hilfe von 4 Pumpstandsmodulen (Anschlussleistung 100 kw) Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 29
30 Heliumverflüssigung am S-DALINAC Kompressor verdichtet Helium auf > 10 bar (Anschlussleistung: 120 kw) Helium verrichtet Arbeit an 2 Turbinen -> Gas kühlt ab Gegenstromprinzip -> Wärmetauscher Gas expandiert und kühlt weiter ab (Joule- Thompson-Effekt) und es bildet sich Flüssigkeit bei 4,2 K. Abpumpen auf 35 mbar für 2 K im Kryostaten Mit Hilfe von 4 Pumpstandsmodulen (Anschlussleistung 100 kw) Kühlleistung: ca. 130 W Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 30
31 Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 31
32 Erweiterung des S-DALINAC Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 32
33 Betrieb des S-DALINAC 1 Betriebsleiter 1 IT-Leiter 2 Ingenieure 4 Techniker 6 Doktoranden 5 Masterstudenten 2 Bachelorstudenten 14 studentische Hilfskräfte Saturday Morning Physics Thorsten Kürzeder TU Darmstadt 33
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