Physikprotokoll: ( 9 Seiten) Montag Donnerstag Thema: Teilchenbeschleuniger Protokollführer: Christian Faust.

Transkript

1 Physikprotokoll: ( 9 Seiten) Montag Donnerstag Thema: Teilchenbeschleuniger Protokollführer: Christian Faust Montag Nicole hält einen kurzen Vortrag über das Synchotron in Cern. Das europäische Forschungszentrum für Teilchenphysik CERN wurde 1954 gegründet. Es wird von 20 europäischen Ländern finanziert und liegt auf der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz im Westen der Stadt Genf am Fuß des Jura. CERN beschäftigt etwa 3000 Mitarbeiter, außerdem forschen dort 6500 Gastwissenschaftler von 500 Universitäten und Instituten aus über 80 Nationen. Der Verlauf des im Bau befindlichen, 27 Kilometer langen Proton-Proton-Beschleunigers LHC. Das CERN-Gelände selbst befindet sich im Bild an der rechten oberen Seite der LHC-Trasse. Im Hintergrund die Stadt Genf mit dem Genfer See vor der Alpenkette.

2 Ausblick - die Zukunft von CERN Im Jahr 2007 geht bei CERN in Genf der 26,7 km lange Protonenbeschleuniger LHC in Betrieb. Als leistungsfähigster Teilchenbeschleuniger der Welt eröffnet er den Physikern Zugang zu möglichen neuen physikalischen Phänomenen jenseits der Standardtheorie der Teilchenphysik. Das 50-jährige Jubiläum von CERN fiel in eine Zeit großen Umbruchs für das europäische Forschungszentrum: Ende 2000 wurde das Flaggschiff des CERN, der 26,7 km lange Elektron-Positron-Ringbeschleuniger LEP, abgeschaltet. Seitdem laufen die Bauarbeiten für seinen Nachfolger, den Large Hadron Collider LHC, auf Hochtouren. Dieser Proton-Protonund Ionen-Beschleuniger, der in dem gleichen unterirdischen Tunnel wie LEP aufgebaut wird, soll im Jahr 2007 in Betrieb gehen. Mit Kollisionsenergien im Bereich von Teraelektronenvolt wird er der leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Welt sein - und den Teilchenphysikern mit seinen vier Experimenten Zugang zu möglichen neuen physikalischen Phänomenen jenseits der Standardtheorie der Teilchenphysik eröffnen. Während die LHC- Experimente ATLAS und CMS die hochenergetischen Proton-Proton-Kollisionen unter die Lupe nehmen, misst LHCb die Eigenschaften von Teilchen, die Bottom-Quarks enthalten. Das Experiment ALICE ist für Kollisionen von Schwerionen optimiert. Herr Bastgen muss wegen einer Konferenz den Raum für längere Zeit verlassen, während dessen werden Aufgaben des bayrischen Abiturs angesprochen. Die Aufgaben findest du hier: Daraufhin werden einige Aufgaben besprochen und näher auf Teilchenbeschleuniger eingegangen (siehe unten). Christian Faust verliert spektakulär gegen Max, Thomas und Daniel das Losen um eine Zusatzaufgabe über den Halleffekt und darf diese Aufgabe bis Donnerstag anfertigen. Allgemeine HA für Donnerstag: Mindmap dieser CERN-Seite unter besonderer Berücksichtigung der Frage: Warum gibt es Teilchenphysik?

3 Donnerstag Alexander hält einen 15-minütigen Vortrag über Desy: Das Forschungszentrum DESY Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY in der Helmholtz-Gemeinschaft ist eines der weltweit führenden Zentren für die Forschung an Teilchenbeschleunigern. DESY ist ein mit öffentlichen Mitteln finanziertes nationales Forschungszentrum und hat zwei Standorte: in Hamburg und in Zeuthen (Brandenburg). DESY ist Mitglied der Hermann von Helmholtz- Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren. Kontakt: DESY in Hamburg Notkestraße Hamburg Tel: / Fax: / DESY in Zeuthen Platanenallee Zeuthen Tel: /77-0 Fax: / desyinfo.zeuthen@desy.de Gegründet wurde die Stiftung Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY am 18. Dezember 1959 in Hamburg durch einen Staatsvertrag, den der damalige Bundesminister für Atomkernenergie und Wasserwirtschaft Siegfried Balke und der Hamburger Bürgermeister Max Brauer unterzeichneten. Die Stiftung DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft.

4 Funktionsweise eines Synchotrons: Das Synchrotron ist ein Teilchenbeschleuniger, in dem geladene Elementarteilchen oder Ionen auf sehr hohe (relativistische) Geschwindigkeiten beschleunigt werden, wodurch die Teilchen sehr hohe kinetische Energien erhalten. Zur Beschleunigung wird ein passend synchronisiertes hochfrequentes elektrisches Wechselfeld (Mikrowellen) verwendet. Die Teilchen werden durch abhängig von der erreichten Energie nachgeregelte Magnetfelder auf eine in sich geschlossene Bahn geleitet. Damit die Teilchen nicht durch Stöße mit Gasteilchen verlorengehen, liegt die komplette Bahn in einem Röhrensystem, in dem Vakuum, genauer Ultrahochvakuum, herrscht. Die maximale Teilchenenergie, die in einem bestimmten Synchrotron erreicht werden kann, ist abhängig von der maximalen magnetischen Feldstärke B, vom Radius r des Rings und von den Teilcheneigenschaften. Es gilt für hohe Energien näherungsweise wobei r der Radius des Synchrotronbeschleunigers, q die Ladung des beschleunigten Teilchens, B die magnetische Flussdichte der Ablenkmagneten und c die Lichtgeschwindigkeit ist. In der Formel ist keine Abhängigkeit von der Masse des Teilchens ersichtlich, allerdings wurde die Abgabe von Synchrotronstrahlung nicht beachtet. Leichtere Teilchen sind bei gleicher Energie schneller (genauer: haben höhere relativistische γ - Faktoren; da die Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit sind, ist der Geschwindigkeitsunterschied minimal) als schwerere Teilchen und strahlen daher stärker. Der Energieverlust durch diese Synchrotronstrahlung muss durch die elektrische Beschleunigung ausgeglichen werden. Deshalb erreicht man mit Elektronen in Synchrotrons meist nur ca. 10 GeV, höherenergetische Elektronen kann man leichter mit Linearbeschleunigern erzeugen. Protonenenergien hingegen sind in modernen Synchrotrons hauptsächlich nach obiger Formel durch Radius und Magnetfeldstärke beschränkt. Die in Synchrotrons beschleunigten Teilchen werden in der Regel dazu verwendet, um Kollisions- oder Targetexperimente durchzuführen (Teilchenphysik). Zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung verwendet man in der Regel Elektronen-Speicherringe. Synchrotrons können in der Regel die Teilchen nicht aus der Ruhe beschleunigen, so dass diese meist in einem Linearbeschleuniger oder Mikrotron vorbeschleunigt und dann in das Synchrotron gelenkt werden.

5 Wir besprechen zur Verdeutlichung der von Alex vorgetragenen Dinge folgenden Versuchsaufbau: Hausaufgabe zu Montag: Massenspektrometer und Schwingkreis-Aufgaben bearbeiten aus dem bayrischen Abitur. Quellenverzeichnis: Liebe Grüße Protokollführer Christian Faust

6 Zusatz: Weitere Beschleuniger: Das Synchotron wurde in den Referaten und im meinem Protokoll ja noch mal tief greifend wiederholt, hier noch mal ein Zusatz zu den anderen Beschleunigern: Das Zyklotron: Beim Zyklotron muss die Umlaufzeit der Teilchen konstant gehalten werden. Obwohl die Bahnen im Zyklotron nicht exakt kreisförmig sind, so lassen sich doch einige Grundprinzipien der Bewegung am Beispiel der Kreisbewegung geladener Teilchen im Magnetfeld verdeutlichen. Die Zentripetalkraft, die das Ion innerhalb des Dees auf einer Kreisbogenbahn hält, ist die Lorentzkraft: Das Zyklotron ist ein Teilchenbeschleuniger, und zwar wie das Synchrotron ein sogenannter Kreisbeschleuniger. Im Gegensatz zu einem Linearbeschleuniger oder Linac (von engl. linear accelerator) werden die zu beschleunigenden Teilchen mit Hilfe eines Magnetfeldes in eine Spiralbahn gebracht, sodass eine oder mehrere Beschleunigungsstrecken (engl. gaps) mehrfach durchlaufen werden. Durch diese Mehrfachnutzung der Gaps sind Kreisbeschleuniger im Allgemeinen effizienter als Linacs. Für Energien, die groß sind im Vergleich zur Ruhemasse der Teilchen, sind Zyklotrons ungeeignet, weshalb sie auch nicht für Elektronen eingesetzt werden. Da die Ionen beim Durchlaufen der Gaps Energie gewinnen, vergrößert sich ihr Bahnradius schrittweise. Die Ionen werden im Zentrum in einer Ionenquelle erzeugt und mit geringer Energie injiziert, am äußeren Rand aus dem Magnetfeld extrahiert. Dazwischen werden die Ionen von elektrischen Feldern zwischen den Dees beschleunigt. Diese Felder werden durch Anlegen einer Wechselspanunng von einigen 10 KV bis zu mehr als 1000 KV an den Dees erzeugt. Die Frequenz der Hochspannung muss beim Zyklotron der Bahnumlauffrequenz der beschleunigten Teilchen oder einem Vielfachen entsprechen, damit die Ionen beim Durchlaufen der Gaps immer die passende Phasenlage zur Hochfrequenz haben. Die Dees

7 waren ursprünglich halbkreisförmige (d.h. D-förmige, daher engl. "Dee") Hochfrequenzkavitäten, so dass pro Umlauf zwei Beschleunigungsstrecken oder Gaps wirksam werden. In modernen Zyklotrons werden jedoch meist mehr Dees eingesetzt. Die Ionen befinden sich in einer Vakuumkammer zwischen den Polschuhen eines großen Magneten (Kompaktzyklotron) oder in mehreren sogenannten Sektormagneten beim Sektorzyklotron. Es werden sowohl Elektromagnete mit Normal- als auch seit den 70er Jahren zunehmend solche mit Supraleitern zum Einsatz gebracht. Aufbau und Funktionsweise] Das klassische Zyklotron besteht aus einem großen Elektromagneten, zwischen dessen Polen sich eine flache runde Vakuumkammer befindet. Im Inneren der Kammer sind 2 halbkreisförmige Metallkammern, die Dees, angeordnet, zwischen denen sich der Beschleunigungsspalt und die Ionenquelle befinden. Am Rand der Kammer ist meist ein Ablenkkondensator angebracht, der zur Herausführung des Teilchenstrahls auf ein bestimmtes Ziel dient. An der in der Mitte der Kammer befindlichen Ionenquelle werden durch Elektronenbeschuss eines feinen Gasstrahls positiv geladene Ionen erzeugt (Elektronenstoßionisierung). An den Dees wird eine hochfrequente Wechselspannung angelegt. Durch diese werden die Ionen, während sie sich im schmalen Spalt zwischen den beiden Dees aufhalten, zu dem negativ geladenen Dee beschleunigt. Die Dees befinden sich im Feld des Magneten. Geladene Teilchen im Magnetfeld werden durch die Lorentzkraft abgelenkt. Sobald die Ionen in das negativ geladene Dee eingedrungen sind, werden sie nicht mehr von dem elektrischen Feld (Faradaykäfig), sondern nur noch von der Lorentzkraft beeinflusst und beschreiben einen Halbkreis, bis sie das Dee wieder verlassen. Währenddessen ist eine Halbschwingung der Spannung vergangen, so dass nun das andere Dee negativ geladen ist. Die Ionen werden erneut im Spalt beschleunigt, bis sie in diesen eindringen. Auch im Beschleunigunsspalt beschreiben die Teilchen einen Bogen, da die gesamte Vakuumkammer vom Magnetfeld durchsetzt wird, die Dees haben nur Einfluss auf die elektrischen Kräfte. Bei dieser Bahn handelt es sich um einen Bogen einer Spiralbahn. Trotz eines bei jedem halben Umlauf größer werdenden Kreisradius bleibt die Umlaufzeit durch wachsende Geschwindigkeit der Ionen konstant (siehe Formeln). Daher kann auch die Frequenz der Beschleunigungsspannung während des gesamten Vorgangs konstant bleiben. Auf diese Weise können die Ionen auf sehr hohe Energien beschleunigt werden. Eine Sonderform ist das H - (H-minus)-Zyklotron. In ihm werden negative Wasserstoffionen beschleunigt. Diese passieren nach der Beschleunigung eine im Spalt angebrachte Graphitfolie ("Stripper"), die die beiden Elektronen "abstreift". Das Ion ist jetzt ein Proton und wird wegen seiner umgekehrten Ladung im Magnetfeld des Zyklotrons zur anderen Seite hin, also aus dem Zyklotron hinaus abgelenkt. Diese Art der Strahlextraktion ermöglicht gegenüber der Ablenkkondensator-Methode größere Stromstärken des Strahls.

8 Formeln zum Zyklotron: Beim Zyklotron muss die Umlaufzeit der Teilchen konstant gehalten werden. Obwohl die Bahnen im Zyklotron nicht exakt kreisförmig sind, so lassen sich doch einige Grundprinzipien der Bewegung am Beispiel der Kreisbewegung geladener Teilchen im Magnetfeld verdeutlichen. Die Zentripetalkraft, die das Ion innerhalb des Dees auf einer Kreisbogenbahn hält, ist die Lorentzkraft:, wobei m die Masse des Ions, q seine Ladung, v die Geschwindigkeit, r den Bahnradius und B die axiale Komponente der Magnetfeldstärke am Ort des Teilchens bezeichnen. Die Zeit T für einen Umlauf und die Winkelgeschwindigkeit ω sind umgekehrt proportional zueinander:. Die Bahngeschwindigkeit v ist gegeben durch so dass man durch Einsetzen erhält:, Bei konstantem (vom Radius unabhängigen) Magnetfeld ist daher auch die Umlauffrequenz konstant. Die Dauer T eines Umlaufs ist.

9 Zum Linearbeschleuniger Während die Teilchen früher durch Gleichspannungen beschleunigt wurden, stellte sich recht bald heraus, dass damit nicht beliebig hohe Teilchenenergien zu erreichen sind: Wird die Spannung über eine gewisse Grenze erhöht, entsteht wegen der Koronaentladung ein Lichtbogen. Prinzipieller Aufbau eines Linearbeschleunigers nach Ising und Wideröe Deshalb wandte man sich vom Prinzip der Gleichspannungs-Beschleunigung ab. Der Wechselspannungs-Linearbeschleuniger wurde von dem Schweden Gustaf Ising vorgeschlagen und erstmals von Rolf Wideröe im Jahr 1928 aufgebaut. Diese Linearbeschleuniger werden aus vielen Beschleunigungselementen, den so genannten Driftröhren, aufgebaut. Zwischen den einzelnen Driftröhren befinden sich Spalte, in denen ein elektrisches Feld pulsiert, welches so getaktet ist, dass die Teilchen beim Durchflug von einem Element zum anderen immer mehr beschleunigt werden und somit ihre kinetische Energie in relativ kleinen Schritten zunimmt, während die Driftröhre selbst wie ein Faradaykäfig wirkt. So kann das Feld, während das zu beschleunigende Teilchen die Driftröhre passiert, umgepolt werden, so dass im Anschluss erneut ein beschleunigendes Feld auf das Teilchen wirkt. Auf diese Weise können Teilchen auf Energien beschleunigt werden, die mit einem einzigen Beschleunigungselement nicht zu erreichen sind. Ein moderner Linearbeschleuniger besteht aus einem zylinderförmigen Hohlleiter, in dem sich eine elektromagnetische Welle ausbreitet (Wanderwellenbeschleuniger, Runzelröhre). Da die Phasengeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen in Hohlleitern größer ist als die des Lichts im Vakuum, muss sie durch regelmäßig angeordnete Irisblenden gebremst werden.