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

Transkript

1 Übersicht S-DALINAC & Teilchenbeschleuniger

2 Bestandteile eines Teilchenbeschleunigers

3 Lorentzkraft 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)

4 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 )

5 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

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

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

8 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=

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

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

11 Synchronität: Anpassung an die Teilchengeschwindigkeit (II)

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

13 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 Saturday Morning Physics Florian Hug TU- Darmstadt

14 Hochfrequenzbeschleunigung bei 3 GHz

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

16 Supraleitende Beschleunigungsstruktur (S-DALINAC, TU Darmstadt)

17 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

18 Eine supraleitende Beschleunigungsstruktur

19 Kryostat 20 cell cavities

20 Kryostat Frequency tuner

21 Kryostat RF couplers

22 Kryostat Helium vessel

23 Kryostat LN 2 -shield

24 Kryostat Vacuum vessel

25 Kryostat

26 Kryostat Adding special waveguides

27 Kryostat Sealing the helium vessel Saturday Morning Physics Florian Hug TU- Darmstadt

28 Kryostat motor rod Waveguide

29 Kryostat LN 2 -intercept

30 Kryostat Sealing the vacuum vessel

31 Montage

32 Montage

33 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

34 Strahlführung: Teilchenfokussierung Hyperbolische Fläche x y = constant

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

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

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