Kreisbeschleuniger IX (Synchrotron)

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Kreisbeschleuniger IX (Synchrotron)"

Linda Voss
vor 7 Jahren
Abrufe

1 Kreisbeschleuniger IX (Synchrotron) Höhere Energien wenn B-Feld und ω HF zeitlich variieren 2 qb q c B q cb Energiegewinn/Umlauf: inn/umla ωteilchen = = E = mc Ec ω Extraktion bei B = B max bei höchsten Energien: β ~ 1 Geschwindigkeit bleibt konstant ω particle de 2π 2π d B W = q c q U ( Verluste ) dt ω = Teilchen ωteilchen dt ω = Teilchen

2 Kreisbeschleuniger X (Synchrotron) Stabilität: Bahn: wie beim Betatron: 0 < n < 1 (schwache fokusierung) Phase: Oszillation in Bahnradius verursacht Verteilung in der Ankunftszeit bei der HF Wenn alle Teilchen mit v ~ c laufen: Zu früh Energiegewinn größere Umlaufbahn Längere Flugzeit spätere Ankunft (Phasenverschiebung) kleinerer Energiegewinn β = 1 Bewegung um nominellen phasepunkt: Synchrotron-Oszillationen ω HF > ω Teilchen : Bunching des Teilchenstrahls (Pakete)

3 Kreisbeschleuniger XI (Synchrotron) Schwache und starke Fokussierung: Wie kontrolliere ich einen Strahl der 10 5 Umläufe macht mit Wegstrecke 10 6 km? a Sh Schwache h Fk Fokussierung : Δ Rmax = R ( für 0 < n < 1 ) Wegen Betatronoszillationen: 1 n Große Vakuumkammer a = Winkel der Anfangstrajektorie (tangential) Starke Fokussierung Alternatierend Sektionen mit stark fokussierenden ( n>> 1 ) und defokussierenden ( n<< 0 ) Elementen. Mit n ~ 400 nutze magnetische Linsen Φ Betatron Synchrotronoszillationen und Stabilität dτ 1 1 dp = Kreisfrequenz und Impuls: 2 τ α γ p Schwache Fokussierung: 2 dτ dp α = 1 n γinject α, τ p Strong focussing: α >> 1 und wenn γ inject klein 2 Phasensprung notwendig bei E = E crit γinject < α Einsatz verschiedener Beschleuniger da ΔR mit der Zeit reduziert wird 2π

4 Oszillationen: Kreisbeschleuniger XIb (Synchrotron) ω betatron >> ω Teilchen >> ω synchrotron Kreisbahn fluktutatiert im Abstand ω betatron / 2πv Resonanzen für ω betatron =nω ω Teilchen!! Kreisbahn atmet mit ω synchrotron CERN E inject = 50 MeV E max = 30 GeV E crit = 6.7 GeV N = 392 Δω = MHz (wegen Geschwindigkeitszuwachses nach der Injektion) Dämpfung der Synchrotronschwingungen mit wachsender Energie : Amplituden der Phasenoszillation sind gedämpft (~ E -1/4 ) Das erzeugt Energie Oszillationen die mit (~ E -3/4 ) gedämpft sind

5 Kreisbeschleuniger XII (Magnetische Linsen) Nutze Methoden der Optik (Linsen Linsen) um Bahn zu berechnen (magnetische Linsen) Ablenkung g( (Prisma): Nutze manetische Dipole Linsen: Fokussierung eines Strahles via magnetische Quadrupole Fokussierend in einer Ebene Defokussierend in anderer Ebene Dicke Linsen: zwei Quads gedreht um 90 0 Typische Sektion eines Synchrotrons SollKreis Einhüllende aller Kreise

6 Beispiele: Schwach fokussierend Maximale Energie Vakuum Kammer Maximales Feld Radius Stark fokussierend Kreisbeschleuniger XIII DUBNA Argonne 10 GeV 12.5 GeV 150x40 cm T 2.1T 30m 78x13 cm 2 24m Built Maximale Energie Vakuum Kammer Maximales feld Radius DESY (Elektronen) 6 GeV 28 GeV 13x9 cm 2 CERN (Protonen) 13x7 cm T 1.3T 35m 70m

7 Circular Accelerators Fermilab (USA) Booster

8 Circular Accelerators - CERN

9 Elektronen Synchrotrons Energieverlust Kreisbeschleuniger XIV A radial bewwegte Ladung ist beschleunigt und strahlt ab 4 4 4π 2 2 E 1 Δ E synch = e β γ 4 3 R m R Synchrotron Strahlung: wichtig für Elektronen, nicht für Protonen 1 e 12 p me mp Δ Esynch Δ Esync h 2000 Limit für Elektronen Synchrotrons: ΔE HF = Δe synch Hohe HF-Leistung mit supralietenden Kavitäten Großer Biegeradius (1/R Term) Derzeitige praktische Grenze: p max (Elektron) ~ 100 GeV (LEP 200 in 1999) Schnelle Dämpfung der Synchrotron Schwingungen durch Abstrahlung

10 Protonen Linac s Injizierte Protonen werden ins Spalt beschleunigt Linear Beschleuniger Drehe Feld um bevor Protonen den Zweiten Spalt erreichen AC-Spannung ω HF Teilchen werden schneller ω HF konstant t erhöhe Flugweg l i THF v2π π v = v = = 2 2 ω ω HF HF Limit: it Länge der Diftöh Driftröhren E max = MeV Als Injektor genutzt Alvarez oder Wideroe Strukturen je nach Phasenverschiebung

11 Elektronen Linacs Bei Injektion: E electron ~ few MeV β ~ 1 Drifröhrensystem impraktikabel Nutze Idee aus dem Wellenreiten Wanderwelle im Hohlleiter Phasenstabilität Linearbeschleuniger II Stelle v wave so ein, daß v wave = v electron Stetige Beschleunigung Um Phasengeschwindigkeit der Welle zu reduzieren v wave < c Beladen (Impedanzanpasung) Nutze ansteigende Pulsflanke Zu späte Ankunft höheres Feld Zu frühe Ankunft kleiners Feld Räumliche Fokussierung Schwer aber betrachte Lorenz boost Bei 30 GeV: (g = E/m ~ 60000) L lab = 3km L particle = 50cm ( krz )

12 Linearbeschleuniger - CERN Supraleitende Kavität für LEP 200 LEP Injektions Linac

13 Linearbeschleuniger III Längster LINAC SLAC 50 GeV (California) Strahlrohr Geplant: TESLA (DESY) 500 GeV

14 Beschleuniger Moderne Technologie Supraleitende Kavität Beschleunigungsektion LHC-Dipol 10 m lang B max : 9 Tesla

Ähnliche Dokumente

III. Experimentelle Methoden. 1. Teilchenbeschleuniger. Kosmische Höhenstrahlung

III. Experimentelle Methoden. 1. Teilchenbeschleuniger. Kosmische Höhenstrahlung III. Experimentelle Methoden 1. Teilchenbeschleuniger Höhere Schwerpunktsenergien Bessere Auflösung von Substrukturen Erzeugung neuer (schwerer) Teilchen Kosmische Höhenstrahlung Für lange Zeit war die