Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa

1. Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa Sławomir Wronka, 17.04.2007r

2. Akcelerator – a co to takiego ? dr Sławomir Wronka, IPJ

3. Akcelerator - definicja Akcelerator to urządzenie do przyspieszania cząstek, w którym możemy kontrolować parametry wiązki • Przyspieszanie odbywa się za pomocą pola elektrycznego • Tylko cząstki niosące ładunek • Do skupienia cząstek w wiązkę oraz do nadania im pożądanego kierunku używa się odpowiednio ukształtowanego, w niektórych konstrukcjach także zmieniającego się w czasie, pola magnetycznego lub elektrycznego dr Sławomir Wronka, IPJ

4. Domowy akcelerator: kineskop TV Elektrony są przyspieszane w próżni w kierunku dodatnio naładowanej elektrody. Pola elektromagnetyczne prowadzą wiązkę do ekranu. W miejscach, gdzie wiązka uderza, ekran robi się jasny, budując w ten sposób obraz. dr Sławomir Wronka, IPJ

5. Akceleratory – a po co ? • Badania naukowe • Medycyna • Przemysł • ……. dr Sławomir Wronka, IPJ

6. Akceleratory – a po co ? Accelerators in the world (2002) D.Brandt, 2004 dr Sławomir Wronka, IPJ

7. Akceleratory – jak ? • Metody DC • Akceleratory liniowe • Akceleratory kołowe dr Sławomir Wronka, IPJ

8. Akceleratory DC • Cząstka nabiera energii poruszając się pomiędzy dwoma potencjałami ΔV=V-V0. • Wiązka przechodzi tylko raz • Im wyższy potencjał tym większa energia dr Sławomir Wronka, IPJ

9. Cockcroft- Walton. 400kV 200kV 1932 – pierwszy akcelerator dr Sławomir Wronka, IPJ

10. Generator Van de Graaffa dr Sławomir Wronka, IPJ

11. dr Sławomir Wronka, IPJ

12. Akceleratory liniowe

13. T1 T2 T3 T4 T5 Metoda Wideröe źródło T5 • Cząstki przyspieszane pomiędzy komorami dryfowymi • Konieczność coraz dłuższych komór • Ograniczenia: rozmiary (dla 7MHz, proton 1MeV pokonuje 2m/cykl), straty radiacyjne dla wyższych częstotliwości dr Sławomir Wronka, IPJ

14. Metoda Alvareza • Zamykamy przestrzeń przyspieszania we wnęce o dobranej częstotliwości rezonansowej dr Sławomir Wronka, IPJ

15. Metoda Alvareza • Pierwszy akcelerator Alvareza zbudowany został w 1946r. Przyspieszał protony do energii 32 MeV, zasilany ze źródła 200MHz. • Używane do dziś dla ciężkich cząstek. Efektywne przyspieszanie w zakresie dr Sławomir Wronka, IPJ

16. Przyspieszanie cząstek relatywistycznych, czyli elektronów • v/c ElektronProton 10 keV 0,195 0,0046 100 keV 0,548 0,0147 1 MeV 0,941 0,0465 5 MeV 0,996 0,1026 10 MeV 0,999 0,1451 1GeV ~1 !!! dr Sławomir Wronka, IPJ

17. Przyspieszanie elektronów • Wysoka częstotliwość, ponieważ duża prędkość ! • Fala 10cm – 3000 MHz dr Sławomir Wronka, IPJ

18. Przyspieszanie elektronów • Pomysł – może wystarczy wziąć falowód ? Elektrony będą przyspieszać wraz z poruszającą się falą. • Tak, ale jest mały problem – fala elektromagnetyczna o głównej składowej pola E „do przodu” porusza się ZA SZYBKO w kołowych lub prostokątnych falowodach. dr Sławomir Wronka, IPJ

19. Przyspieszanie elektronów Dyski o odpowiedniej średnicy zapewniają „zwolnienie” rozprzestrzeniania się fali tak, aby zapewnić prędkość porównywalną z prędkością cząstek (v~c) dr Sławomir Wronka, IPJ

20. Przyspieszanie elektronów Standing wave Moving wave dr Sławomir Wronka, IPJ

21. A tak przy okazji – skąd wziąć cząstki ? p Butla z wodorem: dr Sławomir Wronka, IPJ

22. Akceleratory kołowe

23. Ruch cząstki w polu magnetycznym dr Sławomir Wronka, IPJ

24. Wartość siły Lorenza: Ruch cząstki w polu magnetycznym Siła skierowana jest prostopadle do wektora prędkości Siła Lorenza to siła dośrodkowa dr Sławomir Wronka, IPJ

25. Ładunek w polu magnetycznym Okres ruchu: Częstość kołowa: Częstość cyklotronowa niezależna od prędkości dr Sławomir Wronka, IPJ

26. Cyklotron /Lawrence, 1932/ Nagroda Nobla 1939 dr Sławomir Wronka, IPJ

27. Cyklotron • Cząstki w polu magnetycznym elektromagnesu (nabiegunniki zwane duantami) • Zmienne pole wcz w szczelinie • Ruch cząstki zsynchronizowany z polem przyspieszającym – 10-30 MHz. • Relatywistyczny przyrost masy rozsynchronizowuje cały proces – limit energetyczny… dr Sławomir Wronka, IPJ

28. Cyklotron • Np. Protony – do 10MeV • NIE DO ELEKTRONÓW dr Sławomir Wronka, IPJ

29. Cyklotron dr Sławomir Wronka, IPJ

30. Cyklotron izochroniczny • Cyklotron izochroniczny - akcelerator z azymutalną modulacją pola - cyklotron, skonstruowany tak by czas jednego obiegu rozpędzanych cząstek był stały (stąd nazwa izochroniczny) pomimo wzrostu masy cząstki wywołanej efektami relatywistycznymi, które występują przy rozpędzaniu cząstek do prędkości porównywalnych z prędkością światła. dr Sławomir Wronka, IPJ

31. Cyklotron izochroniczny • Stały czas obiegu uzyskuje się poprzez odpowiednie ukształtowanie pola magnetycznego zakrzywiającego tor ruchu cząstek. Wzrost pola magnetycznego na zewnątrz uzyskuje się poprzez wykonanie odpowiednich nacięć w rdzeniu elektromagnesu (jak przedstawione na rysunku). dr Sławomir Wronka, IPJ

32. dr Sławomir Wronka, IPJ

33. Cyklotron izochroniczny • Modyfikacja taka upraszcza układ zasilania w napięcie przyspieszające, które jest generatorem o stałej częstotliwości. Umożliwia pracę ciągłą akceleratora a przez to także zwiększa maksymalną energię możliwą do osiągnięcia oraz natężenie wiązki. dr Sławomir Wronka, IPJ

34. dr Sławomir Wronka, IPJ

35. Synchrocyklotron /fazotron/ • Aby skompensować relatywistyczny wzrost masy – możemy zmienić częstotliwość RF • Np. CERN, 600MeV, 30.6MHz – 16.6MHz, 30000 obiegów protonów, przyrost energii 20keV/obieg. dr Sławomir Wronka, IPJ

36. Synchrotron Jeśli zsynchronizowana zostanie częstość obiegu cząstek w pierścieniu akceleracyjnym z częstością zmiany pól: elektrycznego i magnetycznego, to proces akceleracji może odbywać się bez zmiany promienia okręgu po którym krążą cząstki. dr Sławomir Wronka, IPJ

37. Synchrotron Na obwodzie umieszczamy: • Wnęki przyspieszające RF • Magnesy • Urządzenia dodatkowe dr Sławomir Wronka, IPJ

38. Duże akceleratory • Storage rings • Colliders dr Sławomir Wronka, IPJ

39. Dlaczego duże akceleratory ? • Każda cząstka zakrzywiana w polu magnetycznym wypromieniowuje energię – promieniowanie synchrotronowe • Moc strat ~ 1/(r2*m04) dr Sławomir Wronka, IPJ

40. Koncepcja „Luminocity” = „Świetlność” • Zderzamy dwie wiązki, prawdopodobieństwo interakcji ~ N2/A • Zderzamy je f razy na sekundę • Ilość oddziaływań ~ f * N2/A MIN MAX dr Sławomir Wronka, IPJ

41. dr Sławomir Wronka, IPJ

42. Przyspieszanie cząstek dr Sławomir Wronka, IPJ

43. Ogniskowanie słabe dr Sławomir Wronka, IPJ

44. Ogniskowanie silne dr Sławomir Wronka, IPJ

45. Magnesy kwadrupolowe dr Sławomir Wronka, IPJ

46. Synchrotron Na obwodzie umieszczamy: • Wnęki przyspieszające RF • Magnesy • Elementy skupiające – magnesy kwadrupolowe • Pompy próżniowe (zła próżnia = pogorszenie parametrów wiązki, fałszywe wyniki exp., spadek wydajności) • Monitory wiązki dr Sławomir Wronka, IPJ

47. dr Sławomir Wronka, IPJ

48. LHC – dlaczego 8,4T ? • Synchrotron – R=const dr Sławomir Wronka, IPJ

49. Podsumowanie • Przyspieszamy cząstki we wnękach rezonansowych polem RF • Kierunek ruchu modyfikujemy polem B • Akcelerator liniowy – tylko jedno przejście (ale unikamy kosztownych magnesów) • Akcelerator kołowy – wielokrotne przyspieszanie, magnesy • Zwiększanie promienia zmniejsza straty • Modyfikacja geometrii poprzecznej – grupy kwadrupoli dr Sławomir Wronka, IPJ

50. dr Sławomir Wronka, IPJ