Beschleuniger und Detektoren Vorlesung 4, Vorlesung TU Dresden Sommersemester 2009

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1 eschleuniger und Detektoren Vorlesung 4, Vorlesung TU Dresden Sommersemester 009 Dienstag, 4. DS Raum: SE/103/U Jun.-Prof. Dr. Arno Straessner Technische Universität Dresden Inst. für Kern- und Teilchenphysik Übungen Prof. Dr. Thomas Cowan Technische Universität Dresden Inst. für Kern- und Teilchenphysik Dr. Andreas Wagner Forschungszentrum Dresden-Rossendorf Inst. für Strahlenphysik Dienstag, 5. DS (gerade Woche) Raum: SE/103/U Forschungszentrum Dresden-Rossendorf Inst. für Strahlenphysik

2 Termine Vorlesung Di. 4. DS Inhalt Übungen Di. 5. DS Wagner Einführung, Gleichspannungsbschlg Wagner Gleichspannungsbschlg Wagner Wagner Resonanzbschlg Wagner Kreisbeschleuniger Cowan Wagner Ionenoptik Straessner Wechselwirkung Strahlung - Materie Cowan Straessner Detektoren Straessner Cowan Straessner Straessner Cowan Straessner Straessner Cowan alle Exkursion zum FZD Straessner Cowan eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

3 Mehr Termine Zeit Wo Was / Wer Thema :00-16:00 FZD Tag des offenen Labors Strahlen gegen Krebs :40 17:50 TU Dresden Kolloquium Prof. Tom Cowan Intensiver Teilchenstrahl aus relativistischer Laser-Materie- Wechselwirkung :40 17:50 TU Dresden Kolloquium Jun.-Prof. Arno Straessner Die Suche nach dem Ursprung der Masse mit dem LHC :00 01:00 TU Dresden Lange Nacht der Wissenschaften Vom Kosmos zur Klinik eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

4 Kontakt Prof. Dr. Thomas Cowan Telefon: / 60 70, Fax: / T.Cowan@fzd.de Web: Jun.-Prof. Dr. Arno Straessner Telefon: , Fax: Straessner@physik.tu-dresden.de Web: Dr. Andreas Wagner Telefon: , Fax: A.Wagner@fzd.de Web: Vorlesung und Übungen auf dem Web unter oder unter nach DSS009 suchen. eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

5 eschleuniger und Detektoren Inhalt eschleuniger: Gleichspannungsbeschleuniger Cockroft-Walton, Marx-Generator, van-de- Graaff Wechselfeldbeschleunigung Linearbeschleuniger, Kreisbeschleuniger, Speicherringe Zyklotron, etatron, Synchrotron, Mikrotron, Rhodotron Strahlenoptik und -transport Synchrotronstrahlung, Freie-Elektronen-Laser Laserteilchenbeschleunigung Wechselwirkung von Teilchen mit Materie Energieverlust, Vielfachstreuung, remsstrahlung, Photoabsorption, Compton-Streuung, Paarbildung, hadronische Wechselwirkungen, Wechselwirkung von Neutronen Detektoren: Gasgefüllte Ionisationsdetektoren (Ionisationskammer, Proportionalzählrohr, Vieldrahtkammern, Driftkammern, Widerstandplattendetektoren) Halbleiterdetektoren (Silizium, Germanium, CdZnTe) Szintillationsdetektoren (Photovervielfacher, Photodioden, Mikrokanalplatten) Teilchenidentifikation (Flugzeit, Energieverlust, Cherenkov- und Übergangsstrahlungsdetektoren) Kalorimeter (elektromagnetische und hadronische Schauer) Datenerfassungselektronik (NIM, CAMAC, VME, cpci, ATCA) eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

6 Literatur K. Wille, The Physics of Particle Accelerators, Oxford 00 E. Wilson, An Introduction to Particle Accelerators, Oxford Univ. Press 01 F. Hinterberger, Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik Springer 08 J. Großer: Einführung in die Teilchenoptik, Teubner 83 J.D. Lawson: The physics of charged-particle beams, Clarendon press 77 R. K. ock, A. Vasilescu, The Particle Detector riefook, Springer 98 K. Kleinknecht, Detektoren für Teilchenstrahlung, Teubner 05 C. Grupen, Teilchendetektoren, I-Wissenschaftsverlag 93 W. R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics, Springer '94 G. F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, Wiley and Sons 00 D. Green, The physics of particle detectors, Cambridge Univ. Press 00 F.Sauli, Instrumentation in High Energy Physics, World Scientific 9 Cern Accelerator School, eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

7 Linearbeschleuniger (LINAC) Die Wellenausbreitung in Hohlleitern geschieht immer mit einer Phasengeschwindigkeit, die größer als die Lichtgeschwindigkeit ist. Daher lässt sich in einem normalen Hohlleiter keine eschleunigung über eine größere Strecke erreichen. Das Problem kann aber umgangen werden, wenn man die Wellenausbreitung durch das Einfügen von Irisblenden stört. Diese Struktur wird auch disk-loaded structure genannt. K. Wille Damit erreicht man eine veränderte Dispersionsrelation. Legt man den Arbeitspunkt genau an die Stelle mit v phase, dann ist eine eschleunigung wieder möglich. eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

8 Einkoppelung in die disc-loaded structure eschleunigungsmode ist wieder die TM 01 -Mode, die Zuleitung wieder ein TE 10 -Hohlleiter. K. Wille Die Einführung dieser Irisblenden bewirkt aber gleichzeitig eine Einschränkung der Moden in z-richtung. eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

9 eschleunigung in einem LINAC Prinzipiell sind nur die niedrigsten Moden für die eschleunigung von edeutung. mode 3 mode mode Diese Mode wird für supraleitende eschleuniger benutzt. Sie hat eine lange Einschwingzeit und ist damit für einen gepulsten etrieb wenig geeignet. Länge für SL-DESY/ELE cavity bei 1.3 GHz: cm. Kompromiss für kurze Einschwingzeit (Gruppengeschwindigkeit hoch)) und hohen eschleunigungsgradienten. Wird für normal leitende, gepulste LINACs verwendet. Länge für.9979 GHz (S-and) = 10/3 cm. Anpassung für hohe Feldstärke schlecht möglich. eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

10 Phasenfokussierung eim Einfang von Teilchen und bei der eschleunigung ist es sehr wichtig, dass aufgrund unterschiedlicher Anfangsgeschwindigkeiten die Teilchenpakte nicht auseinanderlaufen, beziehungsweise sich die Phasen der Teilchen zur Welle nicht verändern. Das erreicht man mittels der sog. Phasenfokussierung oder longitudinalen Fokussierung. Teilchen, die zu einem späteren Zeitpunkt eintreffen, werden mit einem höheren Gradienten beschleunigt als frühere Teilchen. Haben die Teilchen noch nicht Lichtgeschwindigkeit erreicht, dann erhöht sich die Geschwindigkeit der langsameren Teilchen mehr als die der schnelleren Teilchen. Es kommt zur zeitlichen Fokussierung. E soll t t eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

11 Phasenfokussierung Die zeitliche Fokussierung ist essentiell für den etrieb eines LINAC. Sie wurde bei der Erfindung des Synchrotrons durch V.I. Veksler entdeckt. LINAC Phasenfokussierung sin E HF qu 0 Der Energiegewinn in einer Stufe hängt von der Phasenabweichung (phase-lag) gegenüber der Hochfrequenzschwingung ab. eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

12 eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner, Kreisbeschleuniger ewegung eines Teilchens in einem homogenen Magnetfeld m q v m q v v m q v z t v t z mz my mx v v v v v v qv F z z x z y y z x z z x z y x x z 0,0 0 0 ; 0 0 Die Teilchen bewegen sich in Feldrichtung geradlinig gleichförmig und senkrecht dazu auf Kreisbahnen mit einer konstanten Frequenz, der Zyklotronfrequenz. Dieser Umstand ermöglicht bei nicht allzu großer Teilchenenergie einen sehr einfachen eschleuniger. y x z

13 Das Zyklotron Ein homogenes Magnetfeld zwingt die geladenen Teilchen auf eine Kreisbahn. Zwischen zwei Duanden (Dees) wird passend zum zu beschleunigenden Teilchen - eine hochfrequente Wechselspannung angelegt, die gerade dann maximal ist, wenn das Teilchen sich zwischen den Duanden befindet. ewegt sich das Teilchen im (elektrisch) feldfreien Raum, schwingt das Wechselfeld in Gegenrichtung. Das Teilchen gewinnt bei jedem Umlauf an Energie, aber die Zyklotronfrequenz bleibt konstant, so lange das Teilchen noch keine relativistischen Energien gewonnen hat. Erstes Zyklotron 1930 nach E. O. Lawrence. (9 cm Durchmesser, 80 kev Protonen). eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

14 Zyklotrone für höhere Energien Werden die Teilchen relativistisch, dann verringert sich die Zyklotronfrequenz. Es gibt nun zwei Möglichkeiten, diese Änderung zu kompensieren: Änderung der Frequenz im sogenannten Synchrozyklotron: Mit zunehmender Energie wird die eschleunigungsfrequenz erniedrigt. Dann kann aber die eschleunigung nur gepulst erfolgen. Änderung des Magnetfeldes im sogenannten Isochronzyklotron: In Abhängigkeit vom ahnradius nimmt das Magnetfeld radial zu. eschleunigung ist zwar im cw-mode möglich, aber die Formung des Magnetfeldes ist aufwändig und die Erzeugung stabiler Orbits schwierig. 0 ( t) ( t) ( r) ( r) const. Zahlenbeispiel Ei 7 MeV Ei i 1 1 mc E 590 MeV f E f i 1 mc 1 7 MeV 938 MeV 590 MeV 938 MeV mc e const.; 1 e i i const.; e i e e i 1.51 eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

15 Zyklotrone für höhere Energien Gustaf Werner-Isochronzyklotron an der Uppsala Universität. Daten: Polschuhdurchmesser:.8 m Extraktionsradius: 1. m Masse: 600 t Feldstärke: 1.75 T Spulenleistung: 300 kw Energie (H + ): 180 MeV Zyklotron am kanadischen TRIUMF-Labor in Vancouver (Polschuhform zur Fokussierung wichtig, später mehr) Daten: Pohlschuhdurchmesser: 18 m Masse: 4000 t Feldstärke: 0.6 T Spulenleistung: MW Energie (H + ): 500 MeV eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

16 Mikrotron Aufgrund der schnellen Massenzunahme sind Zyklotrone für die eschleunigung von Elektronen nicht geeignet. Man verwendet für Elektronen alternativ dazu das sogenannte Mikrotron. Dieser eschleuniger benutzt ein statisches Magnetfeld zur Ablenkung und zur eschleunigung einen Linearbeschleuniger. Ist der Ablenkmagnet geteilt zur Unterbringung der eschleunigungsstufe, dann spricht man von einem racetrack-microtron. e - Magnet Mainzer Mikrotrone MAMI (A-C) Energie: MAMI A MAMI MAMI C 180 MeV 855 MeV 1500 MeV Mikrotron mit der höchsten Energie wird demnächst die Produktionsschwelle für +N -> K + + erreichen. e - eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

17 Rhodotron Eine kompakte Variante eines Mikrotron stellt das Rhodotron dar, in dem mehrere Umlenkmagnete den Strahl immer wieder durch die gleiche eschleunigungskavität leiten. Die eschleunigungskavität ist hierbei zylindrisch-symmetrisch mit einer Mode, die eine elektrische Radialkomponente hat. Die Strahlenergiedefinition ist nicht sehr gut, aber die Intensität und Effizienz für industrielle Anwendungen dafür ausreichend. Magnet IA (Ion eam Applications, elgien) e - e - eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

18 etatron In den bisher diskutierten eschleunigertypen wurde das beschleunigenden elektrische Feld statisch oder durch eine Hochfrequenzschwingung erzeugt. Im etatron hingegen dient ein zeitlich rasch veränderliches Magnetfeld über Induktion zur Erzeugung eines elektrischen Feldes: Der Strahl ist hier faktisch die sekundäre Wicklung eines Transformators. Es wurde 1940 entwickelt von D. Kerst (Illinois) und dient zur eschleunigung von Elektronen. Hauptspule Korrekturspule Eisenjoch des Magneten etrieb typischerweise mit 50(60) Hz Wechselstrom. Führungsfeld nimmt nach außen ab eschleunigungsfeld (Induktion) Strahlrohr T. Weis, K. Wille, Dortmund Elektronenstrahl eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

19 Funktionsprinzip des etatrons E ds E R t 1 ds R A R E er p F e E R Faradaysches Induktionsgesetz eschleunigungsfeld p er t t 0 g t t 0 0 a a g Lorentzkraft, differenzieren und gleichsetzen liefert die: etatron Stabilitäts-edingung nach Wideröe zwischen eschleunigungs- und Führungsfeld. Gilt generell für Oszillationen in einem Kreisbeschleuniger. eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

20 Schwache Fokussierung Für eine stabile ahn müssen sich Zentrifugalkraft und Lorentzkraft gerade so ausgleichen, dass für kleine Auslenkungen eine Rückstellkraft in Richtung der Sollbahn erfolgt. F L qv r mv FZ r r n r 0 n 1 qv 0 c r n Orbit instabil, innen Lorentzkraft stärker als Zentrifugalkraft. Orbit stabil. Diese Anordnung nennt man schwach fokussierend, da während eines Umlaufs nur max. eine Oszillation um die Sollbahn stattfindet. Meist wird in Zyklotrons und etatrons n=0.15 gewählt. eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

21 Synchrotron mit schwacher Fokussierung Die schwache Fokussierung führte zu langwelligen etatronoszillationen, die sehr große Aperturen nötig machte. Das Synchrophasotron in Dubna (Veksler 1950er Jahre) hatte eine Protonenenergie von 10 GeV und Magnete mit Aperturen von 00 cm x 40 cm bei einer Gesamtmasse von 36 kt. Das 8 GeV Protonensynchrotron PS (1959) am CERN hat Aperturen von 15 cm x 10 cm und Magnete von 3 kt Masse bei Nutzung der starken Fokussierung.. eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

22 Alternating-Gradient Synchrotron ei einem AG-Synchrotron wechseln sich die Gradienten der ablenkenden Dipolmagnete ab. Das AGS am rookhaven National Laboratory wird noch immer als Injektor für den Relativistic Heavy Ion Collider genutzt. eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

23 Starke Fokussierung Eine starke Fokussierung lässt sich mit alternierenden fokussierenden und defokussierenden Elementen erreichen. Der Effekt ist hier analog zur geometrischen Optik, bei der ein System von Sammel- und Zerstreuungslinse einen fokussierenden Effekt verursacht. Ein Synchrotron ist ohne starke Fokussierung kaum zu betreiben. Eine naheliegende Lösung wäre, den Strahlpfad abwechselnd mit Quadrupolmagneten auszustatten. Alternativ kann man auch abwechselnd große Gradienten verwenden. eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

24 Synchrotronmagnete ei einem AG-Synchrotron wechseln sich stark fokussierende Komponenten im Verlauf des Strahlpfades ab. Die Komponenten können hierbei in Form von combined function magnets, das bedeutet, dass Ablenkmagnet und Fokussierung in einer Einheit oder in Form von separated function magnets ausgeführt sind. Combined function magnets sind beispielsweise Dipolmagneten mit fokussierenden Feldkanten, damit einfacher als separated function magnets, aber nicht so vielseitig einsetzbar. Sektorfeldmagnet: Ein-/Austrittskante senkrecht zum Strahl. Vertikale Driftstrecke. Rechteckmagnet: Ein-/Austrittskante geneigt zum Strahl. Wirkt vertikal fokussierend, horizontal defokussierend.. Kombination aus Ablenkmagneten und Quadrupolmagneten zur Fokussierung. eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,

25 Das Synchrotron Synchrotrone sind die Maschinen, die heute für die höchsten Energien bei der eschleunigung eingesetzt werden. Während des eschleunigungszyklus werden die Magnetfelder kontinuierlich hochgefahren. Die Impulsabweichung von Teilchen gegenüber den Synchronen Teilchen führt zu longitudinalen Schwingungen, den Synchrotronschwingungen. Zahlenbeispiel: 150 m Umfang, 1 GeV/c pro Sekunde Impulszunahme ergibt Energiegewinn pro Umlauf von: 150 m * 1 GeV / c / s = 500 ev. eschleuniger und Detektoren, Andreas Wagner,