Inhalt 1. Einleitung 3. Beschleunigertypen und ihre prinzipiellen Funktionsweisen 5. Bauelemente im Beschleunigerbau 7. DESY
1. Einleitung 1.1 Motivation und Zielsetzung 1.2 Geschichte und Entwicklung der Beschleuniger
1.1 Motivation und Zielsetzung [ ] Daß ich erkenne, was die Welt Im Innersten zusammenhält, [ ] Johann Wolfgang Goethe Faust, Der Tragödie erster Teil Verse 382, 383
1.1 Motivation und Zielsetzung De Broglie Wellenlänge: λ = h = p hc E λ U = 10 15 m = 1,2 10 9 V = 1,2 GV
1.2 Geschichte und Entwicklung Greinacher, H. 1921 Entwicklung des Kaskadengenerators zur Erzeugung hoher Gleichspannungen Ising, G. 1924 Vorschlag eines Linearbeschleunigers mit Driftröhren, bei dem die Teilchen durch eine hochfrequente Wechselspannung beschleunigt werden. Rolf Wideröe 1928 Bau des ersten Linearbeschleunigers und Beschleunigung von Na+ - und K+ - Ionen mit einer Hochfrequenzspannung von 25 kv auf eine Endenergie von 50 kev. Versuche zur Entwicklung eines Betatrons scheitern wegen der fehlenden transversalen Fokussierung
1.2 Geschichte und Entwicklung 1930 Bau des ersten MV-Hochspannungsgenerators mit einer Spannung von bis zu 1,5 MV Robert Jemison van de Graaff 1932 Bau des ersten elektrostatischen Beschleunigers unter Verwendung eines 800-kV-Kaskadengenerators. Spannungsfestigkeit der Anlage: 700 kv. Erste Kernreaktion mit 400 kev Protonen. Sir John Douglas Cockcroft Ernest Thomas Sinton Walton
1.2 Geschichte und Entwicklung 1932 Die Idee für das Zyklotron hatte Lawrence bereits 1930. 1932 gelang ihm in Zusammenarbeit mit M.S Livingston die Beschleunigung von Protonen in einem Zyklotron auf eine Endenergie von 1,25 MeV. (Kernreaktionen mit Protonen) Ernest Orlando Lawrence Thomas, G. 1938 Vorschlag des Prinzips der starken Fokussierung für das Zyklotron. Lawrence, E.O 1939 Inbetriebnahme des ersten größeren Zyklotrons. Protonen werden auf 9 MeV, Deuteronen auf 19 MeV und Alphateilchen auf 35 MeV beschleunigt.
1.2 Geschichte und Entwicklung Kerst, Donald William 1941 Erste erfolgreiche Beschleunigung von Serber, R. Elektronen in einem Betatron mit einer Endenergie von 2,5 MeV. 1945 I.V Veksler (UdSSR) und E.M McMillan (USA) entwickeln getrennt voneinander das Prinzip des Synchrotrons und der Phasenfokussierung Edwin Mattison McMillan
1.2 Geschichte und Entwicklung Goward, F.K 1946 Bau des ersten Elektronensynchrotrons Barnes, D.E unter Verwendung eines Betatronmagneten. 1946 Entwurf des ersten 200-MHz-Linearbeschleunigers für Protonen in Berkeley Luis Walter Alvarez
1.2 Geschichte und Entwicklung Ginzton, E.L 1947 Beschleunigung von Elektronen mit dem ersten 2,855-GHz-Linearbeschleuniger bis zu einer Energie von 4,5 MeV Oliphant, M.L 1947 Vorschlag eines Synchrotrons für Gooden, M.L Protonen. Inbetriebnahme 1953 Hyde, G.S Courant, E. 1952 Veröffentlichung zur starken Fokussierung Livingston, M.S d.h. zur Fokussierung mit alternierendem Snyder, H. Gradienten
1.2 Geschichte und Entwicklung Paul, W. 1953 Entwicklung des Paulschen HF-Massenfilters. Baubeginn des ersten europäischen Synchrotrons mit starker Fokussierung (Bonn). Inbetriebnahme 1958 CERN 1954 Gründung des europäischen Kernforschungszentrums CERN in Genf. (Conseil Européen de Recherche Nucléaire)
2. Beschleunigertypen 2.1 Gleichspannungsbeschleuniger a) Cockcroft Walton - Beschleuniger b) Van de Graaff Beschleuniger (Hochspannungsgenerator) c) Tandem Van de Graaff Beschleuniger 2.2 Zirkularbeschleuniger 2.3 Linearbeschleuniger
2. Beschleunigertypen Möglichkeiten auf geladene Teilchen einzuwirken Lorentzkraft: F = q( v B+ E) Energiegewinn: E = = q r r 2 1 r r 2 1 Fdr = q Edr = qu r r 2 1 ( v B + E) dr
2.1 a) Cockcroft Walton - Beschleuniger f = 0,5 10 khz C = 1 10nF n = 3 5 Erzielbare Hochspannung: 400 800kV Maximal mögliche Spannung: 1,5MV Begrenzung durch Koronaentladung 100kV/cm
2.1 b) Van de Graaff - Beschleuniger Höhe ca. 8m (Berlin) Unter Normalbedingungen: 2MV Mit Isoliergas und 10bar: bis zu 10MV
2.1 c) Tandem Van de Graaff - Beschleuniger Erreichbare Hochspannung: ca. 20MV Bei vielfach Ionisierten Ionen: E = 1GeV Einsatzgebiet: Untersuchung von Kernreaktionen
2.2 Zirkularbeschleuniger 2.2.1 Zyklotron a) Klassisches Zyklotron b) Synchrozyklotron 2.2.2 Betatron 2.2.3 Synchrotron 2.2.4 Mikrotron a) Klassisches Mikrotron b) Rennbahn Mikrotron
2.2.1 a) Klassisches Zyklotron Draufsicht Zyklotronfrequenz: ω = q m B
2.2.1 a) Klassisches Zyklotron Seitenansicht ν ν HF HF = const = 10MHz f HF =const = 5 20 MHz B = const Protonen: 9 MeV Deuteronen: 19 MeV Alphateilchen: 35 MeV 50 Umläufe U 0 = 400 kv
2.2.1 a) Klassisches Zyklotron Potentialverlauf zwischen den Dee s Energiegewinn pro Spaltdurchgang: E = qu 0 cos Ψ
2.2.1 b) Synchrozyklotron Relativistische Massenzunahme: ω = q γm 0 B
2.2.2 Betatron
2.2.2 Betatron 15 MeV Betatron von Siemens Sollbahnradius: Führungsfeld: Endenergie: r = 0,095 m B max = 0,56 T T max =15,5 MeV Wechselstromfrequenz: f = 50 Hz Beschleunigungszeit: t = 5 ms Zahl der Umläufe: N = 2,35 x 10 6 Energiegewinn pro Umlauf: e<u ind >= 6,6 ev
2.2.2 Betatron Schwache Fokussierung durch radial abfallendes Magnetfeld
2.2.3 Synchrotron Biegeradius: R = E qcb
2.2.3 Synchrotron
2.2.4 a) Klassisches Mikrotron t 1 t = 2πE qbc 1 2 = nt HF 2π E = = kt 2 qbc HF mit mit n = 2,3,4... k = 1,2,3... E E = E i m c 0 = 2 qbc 2π 2 T HF
2.2.4 b) Racetrack-Mikrotron Synchronisationsbedingung 2πE 2l 2π E t 1 = qbc c qbc = 1 + = nthf ; t = kt 2 2 HF Energiezuwachs E = qbc n 2π 2 T HF
3. Bauelemente im Beschleunigerbau 3.1 Beschleunigungsstrukturen 3.2 Elektromagnete
3.1 Lineare Beschleunigungsstrukturen 3.1.1 Wideröe Struktur 3.1.2 Hohlleiterstrukturen a) Wellenleiterstruktur b) Hohlraumresonatoren (Cavities) i) Einzelresonator / fünfzelliger Resonator ii) Alvarez Struktur und Phasenstabilität
3.1.1 Wideröe - Struktur l i 1 iqu 0 sin Ψ = ν 2m HF s
3.1.2 Hohlleiterstrukturen Rechteckhohlleiter Runde Hohlleiter Frontansicht Seitenansicht Draufsicht
3.1.2 a) Wellenleiterstruktur
3.1.2 a) Wellenleiterstruktur
3.1.2 b) Hohlraumresonatoren (Cavities) Einzelliger Resonator Fünfzelliger Resonator
3.1.2 b) Hohlraumresonatoren (Cavities) Alvarez-Struktur und Phasenstabilität fester Zeitpunkt E z fester Ort
3.2 Elektromagnete
3.2 Elektromagnete Quadrupolmagnet mit hyperbolischen Polflächen
4. DESY
4. DESY
4. DESY
Literatur KOLLATH, Rudolf:.-2., neubearbeitete Auflage. -Braunschweig, Friedr. Vieweg & Sohn 1962 WILLE, Klaus: Physik der und Synchrotronstrahlungsquellen: eine Einführung.-2., überarb. und erw. Aufl. Stuttgart: Teubner, 1996 HINTERBERGER, Frank: Physik der und Ionenoptik: mit zahlreichen Übungsaufgaben und vollständigen Lösungen. -Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hongkong; London; Mailand; Paris; Santa Clara; Singapur; Tokio : Springer 1997 SCHOPPER, Herwig: Materie und Antimaterie: und der Vorstoß zum unendlich Kleinen. R. Piper GmbH & Co. KG, München 1989 Quellen aus dem www: http://reinhold.kainhofer.com/physics/desy/ http://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/