Beschleuniger und Mechanismen Seminar Kern- und Teilchenphysik Hüseyin Tepeli

1. Beschleuniger und Mechanismen Seminar Kern- und Teilchenphysik Hüseyin Tepeli VORTRAG am 19.11.2013

2. Ablauf • Geschichte der Beschleuniger • Einsatzgebiete • Vorstellen einzelner Beschleuniger Typen/Mechanismen • Die Zukunft

3. Geschichte der Beschleuniger Bis etwa 1950: der MeV-Bereich • (Kosmische Strahlung) • (Rutherfordsches Streuexperiment) • Van-de-Graaff-Beschleuniger • Cockcroft-Walton-Generator • Zyklotron • Betatron

4. Geschichte der Beschleuniger Ab etwa 1950: der GeV-Bereich • Linearbeschleuniger (LINAC)SLAC • Ringbeschleuniger (Synchrotron)BevatronCosmotron • SpeicherringeIntersecting Storage Rings (ISR) • BeschleunigerkomplexeLarge Electron-Positron ColliderLarge Hadron ColliderTevatron

5. Welche Teilchen? Bis heute: • Elektronen/Positronen • Protonen/Antiprotonen • Ionen von Deuteronen bis zum Uran In der Zukunft: • m-Collider

6. Einsatzgebiete • Teilchenphysik: CERN, DESY, SLAC, FERMILAB, JLAB, KEK … • Nutzen der Synchrotronstrahlung: z.B. ESRF, DESY, ….Grundlegende Atom- und MolekülphysikFestkörperphysikGeowissenschaftenMaterialwissenschaftenChemieMolekular- und Zell-BiologieOberflächen-/Grenzflächenphysik • Kernphysik: S-DALINAC, GSI, SNS (Oak Ridge, USA) ….Elektron-/Proton-BeschleunigerIonen-Beschleuniger/-ColliderGleichstrom-Teilchenstrahlen

7. Einsatzgebiete • Industrielle AnwendungenRadiographie mit RöntgenstrahlenIonen-ImplantationIsotopen-Herstellung/-TrennungMaterial-UntersuchungenNahrungsmittel-SterilisationElektronen-/Röntgenstrahl-Lithographie • Medizinische Anwendungen: GSI - Heidelberg, PSI (Schweiz), …Erzeugung von RadioisotopenBestrahlung von Patienten, z.B. zur Tumorbehandlung • Archäologie, Altersdatierung, Umweltforschung (z.B. Wien - VERA) • Energietechnik: Kernfusion, Energy Amplifier Quelle: Rüdiger Schmidt/Prof. Dr. Biebel

8. Einsatzgebiete der Beschleuniger • World wide inventory of a accelerators, in total 15000. The data have been collected by W. Scarf and W. Wiesczycka (See U. Amaldi Europhysics News, 31/6, 2000) Today (2007), this increased to about 20000.

9. Kosmische Strahlung http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3a/Cosmicrayshower.png

10. Beschleunigertypen • Direktbeschleuniger:Arbeiten mit hoher Gleichspannung. • Linearbeschleuniger:Arbeiten mit Hochfrequenz (Radio Frequency = RF). • Kreisbeschleuniger:Arbeiten ebenfalls mit Hochfrequenz (RF) sowie magnetischen Führungsfeldern. 

11. Energiegewinn eines geladenen Teilchens Der Energiegewinn eines geladenen Teilchen ist proportional zur Spannung, die das Teilchen durchläuft, und zur Ladung des Teilchens.

12. Van-de-Graaf-Beschleuniger (bis 20 MeV) Rosenau-Labor, Tübingen (Quelle: http://de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/1448804)

13. Van-de-Graaf-Beschleuniger Schematischer Aufbau (Quelle: de.wikipedia.org)

14. Tandem van-de-Graaff Beschleuniger Quelle: http://www.ikp.uni-koeln.de/groups/ex/schieck/tandem-prinzip1.html

15. Tandem van-de-Graaff Beschleuniger Tandembeschleuniger im Maier-Leibnitz-Laboratorium in Garching bei München + Stripperfolie (Rechts) (http://de.wikipedia.org/wiki/Tandembeschleuniger)

16. Dynamitron-Tandem-Beschleuniger Bochum (bis 50 MeV) http://www.rubion.rub.de/index.php?article_id=18&clang=0

17. Dynamitron-Tandem-Beschleuniger Bochum (50 MeV) de.wikipedia.org http://www.rubion.rub.de/index.php?article_id=18&clang=0

18. Cockcroft-Walton-Beschleuniger(bis 750 KeV) Cockcroft-Walton Generator (CERN) (de.wikipedia.org)

19. Cockcroft-Walton-Beschleuniger

20. Zyklotron (bis 800 MeV) 60-Zoll-Zyklotron des Lawrence Radiation Laboratory, Berkeley, 1939 (de.wikipedia.org)

21. Zyklotron Quelle: de.wikipedia.org

22. Lorentz-Kraft Lorentz kraft bei Bewegung negativer bzw. positiver Ladungsträger

23. Zyklotron

24. Betatron (Elektronenschleuder) Historisches 6-MeV-Betatron (Deutschland 1942-46) (de.wikipedia.org)

25. Betatron (bis 315 MeV)

26. Mikrotron (bis 1,5 GeV) Mainzer Mikrotron (http://wwwkph.kph.uni-mainz.de/B1/gallery.php)

27. Aufbau Mikrotron Schema des klassischen Mikrotrons Schema des Rennbahnmikrotrons Quelle: de.wikipedia.org

28. Schematische Darstellung verschiedener Kreisbeschleuniger a) Betatron b) Zyklotron c) Mikrotron d) Synchrotron Die graue Fläche wird jeweils von einem magnetischen Feld ausgefüllt.

29. Linearbeschleuniger (LINAC) 1. Wideröe-Struktur (β ≈ 0,005–0,05), 2. RFQ-Struktur (β ≈ 0,005–0,05), 3. Einzelresonator (β ≈ 0,04–0,2), 4. Alvarez-Struktur (β ≈ 0,04–0,6), 5. Wellenleiter-Struktur (β ≈ 1).

30. 1. Wideröe-Struktur Prinzip eines Linearbeschleunigers nach Ising und Wideröe, hier für negative Teilchen. Die blau gezeichneten „Teilchenpakete“ werden jeweils in der passenden Halbperiode der Wechselspannung beschleunigt (grüner Pfeil). (de.wikipedia.org)

31. 2. RFQ-Struktur Schematischer Aufbau eines Hochfrequenz-Quadrupols (Radio Frequency Quadrupole RFQ). a) Querschnitt mit momentaner Ladungs- und Feldverteilung Perspektivische Darstellung der radialen Modulation der Pole(„Vanes“). http://www6.physik.uni-greifswald.de/Linearbeschl_Kleinw.pdf

32. 2. RFQ-Struktur

33. 4. Einzelresonator http://www.brodeck.de/ess/pages/linac.htm

34. 4. Alvarez-Struktur http://adweb.desy.de/~rossbach/uni/teilchenbeschleuniger_kap3.pdf

35. 5. Wellenleiter-Struktur Standing wave Quelle: http://rudi.home.cern.ch/rudi/

36. 5. Wellenleiter-Struktur http://www.particleadventure.org/german/frameless/accel_ani.html

37. Hohlraumresonator http://www.brodeck.de/ess/pages/linac.htm

38. Beschleunigung am Fermilab Side-coupled Cavity Linac Accelerated in a 201.249 MHz drift-tube linac, though five large tanks, to 116 MeV http://www-ad.fnal.gov/proton/NewProtonWWW/NewLinacWWW/linac_tour.html

39. SLC – SLAC Linear ColliderBisher längster LINAC (3 km, bis 52 GeV) http://www.particlecentral.com/accelerator_page.html

40. Elektronen-Linearbeschleuniger Krebstherapie an einem medizinischen Elektronen-Linearbeschleuniger (de.wikipedia.org)

41. http://tulectures.web.cern.ch/tulectures/Folien/06_Linearbeschleuniger_MB.pdfhttp://tulectures.web.cern.ch/tulectures/Folien/06_Linearbeschleuniger_MB.pdf

42. Synchrotron http://de.wikipedia.org/

43. Das Synchrotron DESY II (6 GeV Petra) http://desy2.desy.de/

44. Synchrotronstrahlung Geladene Teilchen strahlen bei der Ablenkung im Magnetfeld Synchrotronlicht ab. Da die abgestrahlte Energie umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Ruhemasse ist, ergibt sich nur bei Elektronen ein relevanter Effekt.(Hinterberger, Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik, Springer Verlag (2008), Seite 347)

45. Synchrotronstrahlung Synchrotronstrahlung hat eine Reihe interessanter Eigenschaften: • breites, kontinuierliches Spektrum • hohe Strahlungsintensität • tritt gebündelt tangential zur Bewegungsrichtung der Teilchen aus • sehr hohe Brillanz • die Folgefrequenz und -dauer sind (in engen Grenzen) einstellbar • exakte Berechenbarkeit des abgegebenen Spektrums • die Strahlung ist kohärent (Grundlage für den Freie-Elektronen-Laser (FEL)) • Strahlung ist polarisiert Quelle: de.wikipedia.org

46. Intersecting Storage Rings am Cern (bis63 GeV) http://hedberg.web.cern.ch/hedberg/home/afs/afs.html

47. Speicherringe Quelle: de.wikipedia.org

48. Intersecting Storage Rings am CERN(bis 63 GeV) http://hedberg.web.cern.ch/hedberg/home/afs/afs.html

49. Tevatron (bis 2 TeV) am Fermilab http://u2.lege.net/cetinbal/tevatron.htm

50. Das Tevatron (bis 2 TeV)