Teilchenbeschleuniger. Seminarvortrag Sommersemester 2005 Jan Kovermann Betreuung: Prof. Achim Stahl

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1 Teilchenbeschleuniger Seminarvortrag Sommersemester 2005 Jan Kovermann Betreuung: Prof. Achim Stahl

2 Wozu? Hochenergiephysik direkte Teilchenkollisionen Erzeugung instabiler Teilchen für weitere Prozesse Synchrotronstrahlung Medizin direkte Bestrahlung Herstellung medizinisch genutzter Isotope Industrie eˉ - Strahl-Lithographie Transmutation Materialbearbeitung

3 Was? Ausschließlich geladene Teilchen! Es beginnt (praktisch) immer mit eˉ aus Glühkathode, Feldemission oder Fotoeffekt p+ aus Wasserstoffgas Ionen Exotische Teilchenstrahlen durch Beschuss eines Festkörpers (Fixed-Target) mit eˉ oder p+ Zerfall exotischer Teilchen

4 Wie? Zwei Konzepte: Elektrostatische Beschleunigung Plattenkondensator Beschleunigung mittels EM-Feld Beschleunigung in stehenden Mikrowellen Zukunft: Beschleunigung durch LASER (IFEL, LWFA, PWFA)

5 Wo? In Planung bzw. Bau: LHC, 7TeV pp Ringcollider, CERN ILC, 500GeV (max. 1TeV) e+ eˉ Linearcollider,? Fermilab DESY KEK SLAC CERN Zur Zeit im Betrieb (Auswahl!): HERA, eˉp+ Ringcollider, DESY PEP-II, e+ (3.1GeV) eˉ(9gev) Ringcollider, SLAC KEK-b, e+ (3.5GeV) eˉ(8gev) Ringcollider, KEK TEVATRON, 1TeV p+ pˉ Ringcollider, Fermilab

6 Einige Begrifflichkeiten: Kavität Luminosität L Hohlraumresonator für stehende EM-Welle Maß für die Leistungsfähigkeit eines Beschleunigers N = L t Schwerpunktsenergie Für Reaktionen zur Verfügung stehende Energie

7 Elektrostatische Beschleunigung Prinzip Plattenkondensator: Beschleunigung geladener Teilchen im elektrischen Feld Energie proportional zur Spannungsdifferenz Problem: max. 10 MV technisch realisierbar Nutzung: kleine Beschleuniger Vorbeschleuniger Quellen

8 Beschleunigung durch EM-Felder Prinzip: Potentialdifferenz in stehender EM-Welle Erzeugung von stehenden EM-Wellen in Kavitäten Durch Resonanz extrem hoher Feldgradient möglich Wichtig: Phasenlage relativ zur Teilchenposition Z.Zt. ca. 35 bis 40 MeV/m technisch möglich Problem: Abstimmung, Quenchen, Bau der Kavität!

9 Ringcollider Vorteile: Beschleunigungsvorrichtung wird beliebig oft durchlaufen Mehrere Kollisionspunkte (Experimente) möglich erhöhte Luminosität durch Speicherprinzip Nachteile: benötigt Magneten zur Strahlablenkung Synchrotonstrahlung durch erzwungene Kreisbahn E Umlauf ~ E 4 4 m R großer Radius notwendig Insgesamt vorteilhaft bei hohen Teilchenmassen, z.b. p+!

10 Linearcollider Vorteile: keine Synchrotronstrahlung! keine Ablenkmagnete notwendig Nachteile: Kavitäten über komplette Länge notwendig nur ein Kollisionspunkt (max. 2, aber L kleiner) Teilchen durchläuft nur einmal den Beschleuniger hohe Luminosität nur durch hohe Ströme und sehr kleine Strahlquerschnitte erreichbar L= f N 1 N 2 x y Insgesamt vorteilhaft bei kleinen Teilchenmassen, z.b. eˉ!

11 Teile eines Ringcolliders Warum B und nicht E? Für v~c ist E~cB, d.h. 1T entspricht 300MV/m

12 Magnete in Beschleunigern Ablenkmagnete Dipolmagnete, Ablenkung nur einer v-komponente, Lorentzkraft: =e v B = p F =0 da E

13 Magnete in Beschleunigern Fokussiermagnete Quadrupolmagnete, Fokussierung von Teilchen ausserhalb des idealen Orbits Anordnung paarweise Impulsdispersion Magnetspulen Polschuhe

14 Magnete in Beschleunigern Magnete höherer Ordnung: Sextupolmagnet, korrigiert 'chromatische' Fehler durch Impulsaufweitung in Quadrupolmagneten Kickermagnete / Septummagnete: Schnell schaltende Dipolmagneten (Ferrit oder Luft statt Eisen) z.b. zur Injektion bzw. Ejektion von Teilchen in einen Speicherring Wiggler und Undulatoren: Strahlablenkung auf sehr kleinen Radien zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung Berechnung analog Matrizenoptik möglich!

15 Eisen oder Supraleiter? Eisenmagneten: B-Feldstärke beschränkt wg. Sättigung, max. ca. 2T Einfache Feldformung durch Polschuhe Supraleiter: Feldstärken bis ca. 10T möglich Aufwendige Kühlung erforderlich Materialaufbau technisch kompliziert Quenching (Sicherheitsreserven!) Feldformung sehr komplex (Luftspule!)

16 LHC

17 LHC LHC Einige Daten: LHC: Large Hadron Collider (Proton-Proton, Ion-Ion) Strahlenergie 7 TeV Zwei Strahlröhren (gegenläufige Strahlen) Umfang 26.6 km, Krümmungsradius 2.8 km (Dipolfeld) 4 Experimente 1011 p+ /bunch, 2808 bunches, 362MJ beam energy Luminosity 1.034cm-2s-1 (TEVATRON: cm-2s-1) Dipolfeld max. 8.3T (7TeV), Einschuss bei 450GeV (0.5T) Events per bunch-crossing: 19 (25ns Bunchabstand, 40MHz) ~700 Millionen Events pro Experiment und Sekunde!

18 LHC

19 LHC Neues Konzept: Supraleitende Dipolmagneten: Max. 8.33T bei 11769A und 1.9K, 23.8t cold mass

20 LHC...und so sieht es aus:

21 LHC Details: NbTi-Kabel mit Cu-Isol. Feldlinienverlauf Dipolmagnet

22 LHC Parameter der Supraleitung (NbTi):

23 LHC Aktuell:

24 LHC Synchrotronstrahlungsverluste LEP: e+eˉ-collider, max. 105GeV Strahlenergie ca. 3GeV Verlust pro Umlauf bei max. Energie ca. 30MW elektr. Leistungsaufnahme nur für Kompensation LHC: p+p+-collider, max. 7TeV ca. 7keV Verlust pro Umlauf bei max. Energie (ca. 4kW) vernachlässigbar! e+eˉ- Ringcollider über 100GeV Strahlenergie nicht mehr sinnvoll! Zukunft: Muon-Ringcolider (höhere Masse, aber elementar)

25 ILC International Linear Collider

26 ILC e+eˉ- Linearcollider als weltweites Kooperationsprojekt: Sinnvolle Ergäzung zum LHC Projekt vereinigt weltweit die besten Teilkonzepte Geplante Schwerpunktsenergie ca. 500GeV Ausbaufähig bis auf 1TeV

27 ILC Sehr hohe Beschleunigungsgradienten erforderlich (Länge!): Supraleitende Kavitäten erreichten bereits bis zu 40MV/m Kavitäten bei TESLA sind bereits bis zur Serienreife entwickelt und sollen ~30MV/m im Durchschnitt erreichen Energiereinsparung durch starke Verminderung der elektr. Verluste (Faktor 106 besser als in Cu-Kavitäten!) ILC wird auf TESLA-Technologie basieren Der hohe Beschleunigungsgradient der supraleitenden Kavitäten und die damit verbundene Längeneinsparung wiegen den Aufwand für Kühlung etc. wieder auf!

28 ILC Die Teilchen 'surfen' auf einer EM-Welle... stehende Welle TM010-Mode (E in Flugrichtung) π-mode (Blenden) Sehr hohe Güte (Q-Wert)! E-Feld

29 ILC Kavitätenmaterial: Niob (hochrein) supraleitend bei T < Tc = 9.2K gute Wärmeleitfähigkeit sehr geringer HF-Restwiderstand 'Quenchen' erst bei hohen Feldstärken, max. 200mT (entspr. 50MV/m, Grenze!) gute Verarbeitungseigenschaften ausreichende Verfügbarkeit

30 ILC Elektrische Daten: Betriebsfrequenz 1.3GHz Pulsbetrieb, Pulslänge ~2ms Repetitionsrate 5Hz Klystron peak power ~10MW Wirkungsgrad: η (SC-Cavity) = 17% incl. He-Verflüssigung η (Cu-Cavity) = 6 8 % Multi-Beam-Klystron

31 ILC Probleme: Güte und 'thermal breakdown' (Quenchen) Güte (Q-Wert): Größenordnung 1010 Bei 1.3GHz ca. 500Hz Bandbreite, Tuner erforderlich! mechanische Verstimmung durch Lorentzkräfte muss passiv verhindert oder besser aktiv ausgeglichen werden (Piezo) Produktionstoleranzen beherrschbar

32 ILC Probleme: Güte und 'thermal breakdown' (Quenchen) Aktive Abstimmung mit Piezo-Elementen: Nachteil: sehr hoher Aufwand (1800 Module zu 12 Kavitäten...)

33 ILC Thermal breakdown: Überschreitung der max. Feldstärke durch Materialfehler wie rauhe Oberflächen, Fremdatome im Niob oder Verunreinigungen wie Staub etc. Aufbauarbeit unter Reinraumbedingungen (Klasse 100, 10) Elektroschmelzen des Niobs Kontrolle der Niob-Rohlinge (Wirbelstrom, SQUID) e-beam-schweißen der Kavitäten unter Hochvakuum Ausglühen zur Entfernung von Fremdatomen Politur mit Säuren später ersetzt durch Elektropolitur Spülen mit hochreinem Wasser unter Hochdruck

34 ILC Thermal breakdown: 200μm Nach Säurepolitur, ca. 1μm Nach Elektropolitur, ca. 0.1μm

35 ILC Details: HOM-coupler: Higher-order mode coupler, Dämpfung von Harmonischen

36 ILC 'Superstructure': Zusammenfassung von 12 Kavitäten in einem Kryostaten-Modul incl. SL-Magneten und Diagnose, ca für 0.5TeV nötig Modul enthält sechs 2x9-Zellen-Kavitäten an einem Klystron 50% Ersparnis bei RF-Komponenten schnellere Produktion (Maschinen/Öfen für 2x9 statt 1x9!) bessere Ausnutzung der Länge (filling factor 85%)

37 ILC

38 ILC Technische Details:

39 ILC Technische Details:

40 ILC Möglicher Zeitplan:

41 Fazit Höhere Energien verlangen technische Höchstleistungen Beschleuniger muss an die Teilchen angepasst werden Supraleitung ermöglicht höchste Energien bei vertretbaren Kosten Maximalleistung der RF-Technologie absehbar Forschung in Richtung andere Technologien nötig

42 Ende Fragen?