Übersicht S-DALINAC & Teilchenbeschleuniger Saturday Morning Physics Florian Hug TU- Darmstadt

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Waldemar Frei
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1 Übersicht S-DALINAC & Teilchenbeschleuniger

2 Beispiele für Beschleuniger

3 Beispiele für Beschleuniger Größter Beschleuniger der Welt: Large Hadron Collider (LHC) Am CERN 27 km Tunnel 7 TeV Energie Ermöglichte Nachweis des Higgs-Bosons

kleiner Weites Anwendungsfeld in Industrie, Medizin, Forschung

4 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

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: F q ( E v B) Energieänderung nur durch elektrische Felder, im Magnetfeld kann man keine Ladung beschleunigen s2 E F ds qu s1 Der Energiegewinn des geladenes Teilchen ist proportional zu dessen Ladung und zur Spannung, die das Teilchen durchläuft. Energieeinheit Elektronenvolt (1 ev = Joule)

Teilchen mikroskope Sichtbares Licht: 500 nm = 5 10-7 => 2,5 ev

6 Teilchen mikroskope Sichtbares Licht: 500 nm = => 2,5 ev Röntgenstrahlung 10 kev => 0,125 nm ch ch B => p eu acc B E k h ( E planck k c 2 m 0 c 2 )

Typische Größenordnungen Abstand von Atomen in Materie: 0.3 nm = 3 10-10 m Atomradius: 0.

7 Typische Größenordnungen Abstand von Atomen in Materie: 0.3 nm = m Atomradius: 0.1 nm = m Proton / Neutronradius: 1 fm= m Quark: m 3 kev 10 kev 1 GeV 10 GeV B E k h ( E planck k c 2 m 0 c 2 ) Genauere Mikroskope bedeuten höheren Teilchenimpuls und somit komplexere Beschleuniger

8 Einfacher Teilchenbeschleuniger (elektrostatische Beschleunigung) Typische Spannungen bis 5 MV

9 Einfacher Teilchenbeschleuniger (elektrostatische Beschleunigung) Größter elektrostatischer Beschleuniger der Welt: Tandem Van-der-Graaf in Daresbury (UK) (in Betrieb von ) > 20 MV!!!

10 Einfacher Teilchenbeschleuniger (elektrostatische Beschleunigung) Größter elektrostatischer Beschleuniger der Welt: Tandem Van-der-Graaf in Daresbury (UK) (in Betrieb von ) > 20 MV!!!

11 Hochspannungserzeugung: Kaskadengenerator (Cockroft-Walton) U out = 6*U 0 Fermilab. 700 kv

12 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=

13 Ising/ Wideröe Beschleuniger Quelle Von Ising 1925 vorgeschlagen, 1928 von Wideröe erfolgreich getestet. Heute als Alvarez Beschleuniger in Betrieb

14 Synchronität: Anpassung an die Teilchengeschwindigkeit Teilchengeschwindigkeit nimmt durch Beschleunigung zu => Anpassung der Periodenlänge

15 Synchronität: Anpassung an die Teilchengeschwindigkeit (II)

16 Wideroe/ Alvarez Beschleuniger als Bestandteile des UNILAC (GSI)

17 HF Beschleunigung bei Elektronen Elektronen sind leichte Teilchen (Ruheenergie 511 kev) 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

18 Hochfrequenzbeschleunigung bei 3 GHz

19 Beispiele für (elliptische) Beschleunigungsstrukturen 200 MHz 1300 MHz 3 GHz 500 MHz

20 Supraleitende Beschleunigungsstruktur (S-DALINAC, TU Darmstadt)

21 Supraleitung In der Beschleunigerphysik: Niob bzw. Niob-Titan (9.5 K bzw 18 K) Kühlung mit fl. Helium 1911 entdeckt von Kamerling Onnes an Quecksilber

22 Eine supraleitende Beschleunigungsstruktur

23 Kryostat 20 cell cavities

24 Kryostat Frequency tuner

25 Kryostat RF couplers

26 Kryostat Helium vessel

27 Kryostat LN 2 -shield

28 Kryostat Vacuum vessel

29 Kryostat

30 Kryostat Adding special waveguides

31 Kryostat Sealing the helium vessel

32 Kryostat motor rod Waveguide

33 Kryostat LN 2 -intercept

34 Kryostat Sealing the vacuum vessel

35 Montage

36 Montage

37 Strahlführung: Ablenkung eines Teilchenstrahls 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

38 Strahlführung: Teilchenfokussierung Hyperbolische Fläche x y = constant

39 S-DALINAC Designparameter: Maximale Energie: Maximaler Strom: Betriebsart: Frequenz: 130 MeV 60 µa cw 3 GHz

40 S-DALINAC Strahlparameter Experiments Energy (MeV) Current (µa) ( Injector Activation Detector Injector 1 10 typ Tagged Compton Scattering typ (e,e'x), (e,e')

42 Übersicht über die gesamte Anlage 40 MeV Hauptbeschleuniger 10 MeV Injektor Elektronenquelle Experimentierplätze

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