BESCHLEUNIGER Proton-Synchrotrons & -Collider VORBEREITUNG Beschleunigertypen Synchrotron...

BESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider

VORBEREITUNG

Beschleunigertypen

Synchrotron

Phasenstabilität

Luminosität

MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip

Supraleitende Magnete

Stochastische Kühlung

TEVATRON & LHC


VORBEREITUNG

Beschleunigertypen

Synchrotron

Phasenstabilität

Luminosität

MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC

Beschleunigung mit Gleichspannung

Resonante Beschleunigung

Strahlentransformator (Betatron)


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Beschleunigertypen

Synchrotron

Phasenstabilität

Luminosität

MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC

Beschleunigertypen

U

- Beschleunigungsstrecke wird nur einmal durchlaufen

- Ekin max< 30MeV

- Beispiel Röntgenröhre als Fixed-Target-Experiment

Quelle Target


BeschleunigertypenBeschleunigung mit Gleichspannung

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Beschleunigertypen

Synchrotron

Phasenstabilität

Luminosität

MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC

~

~

Cyclotron: 1931 Lawrence & Livingston

Linearbeschleuniger: 1928 Ising , Wideröe

Problem: Relativistischer Massenzuwachs, d.h. Synchro-Cyclotron mit

.v c const

pR

q B


t

halbe „Keksdose“

BeschleunigertypenResonante Beschleunigung

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Beschleunigertypen

Synchrotron

Phasenstabilität

Luminosität

MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC

0p m v

!const

Betatron: 1927 Wideröe


E

B

rot Et

x

xx

B

,B B

x

x .

B B t

.R const

Spule

Vakuum-kammer

Joch

Teilchenstrahl ist Sekundärspule

BeschleunigertypenStrahlentransformator

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Beschleunigertypen

Synchrotron

Phasenstabilität

Luminosität

MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC

Erfindung: 1944 Veksler


Synchrotron

t Synchro-Cyclotron Betatron

,R const B B t

Synchrotron

t B B t

.R const

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Beschleunigertypen

Synchrotron

Phasenstabilität

Luminosität

MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC


t B B t

.R constx

Magnetisches Führungsfeld wächst mit Impuls:

.R const

B B t

~ t

Frequenz wird an den Impuls angepasst.

Driftröhreno. Cavities

Erfindung: 1944 Veksler

Synchrotron

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Beschleunigertypen

Synchrotron

Phasenstabilität

Luminosität

MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC

Teilchenpaket(Bunch)


Prinzip

PhasenstabilitätPhasenfokussierung

sp

L S Hp p p

Lp

Hp

Hp

Lp

Sp

L S Hv v v c

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Beschleunigertypen

Synchrotron

Phasenstabilität

Luminosität

MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC

Synchrotron-Schwingung um S

pR

q B


Luminosität

N LEreignisrate

Luminosität

Wirkungsquerschnitt

Wichtige Beschleuniger-Kenngröße

Luminosität für Bunche mit Gaussverteilung

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Beschleunigertypen

Synchrotron

Phasenstabilität

Luminosität

MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC

34 110

²cm sL

2835b

15x z µm 5,6s cm

111.1 10N 40f MHz

23 Ww pro Bunch-kreuzung

LHC:

1 2

4 x z

N Nbf

L

x

zs


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MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC

Fragen bisher?


VORBEREITUNG

MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC

Meilensteine…


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Meilensteine…


VORBEREITUNG

MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Fokussierung

Strahlverlust

Gasatom

Divergenz-Ursachen:

- Feldfehler- Gasreste…

Strahldivergenz + grosse Strecke


FokussierungNotwendigkeit

VORBEREITUNG

MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

-x

homogenes Magnetfeld(Dipol)

A

F

B

A

F

B

x

-xs

Sollbahn

pR

q B

1

4AF U R

- viele Teilchen werden fokussiert- kurze Brennweite - kleiner Radius

2D

x

Großer Divergenzwinkel α =


Schwache Fokussierung

x x

x

x

x

x

xx

x

x

x

x

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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Cosmotron 1952-1966 3,3 GeVØ 22m

Schwache FokussierungBESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider

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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Bevatron 1954-1993

6,2 GeVØ 55m


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Synchrophasotron 1957

10 GeVØ 33m


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

r

zx

N

S

Schwache FokussierungSenkrecht zur Bahnebene

- B-Feld-Stärke nimmt nach Aussen ab- Fokussierung in der Bahnebene verschlechtert sich

z rF q v B

zF zB

rB

zB

rB


VORBEREITUNG

MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

x

A B

A B

xs

F‘

schwächere Krümmung aussen

stärkere Krümmung innen

R0

Bz

r

B0

F‘

Schwache FokussierungVon Schwach nach Stark

Gradient verursacht


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Orb

it

A B

sOrbit

Starke FokussierungIdee

A B

Alternating Gradient Principle 1952

Wechselnde Feldgradienten


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

x -xO

rbit

A B

xs

Orbit

B

A

Rechnung zeigt:- Stärkere Fokussierung in Bahnebene und senkrecht dazu, obwohl abwechselnd auch defokussiert wird.- Diese starke Fokussierung ist unabh. von Radius.

Starke FokussierungIdee

Alternating Gradient Principle 1952

Wechselnde Feldgradienten


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Starke FokussierungBESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider

PS CERN, 1959

28 GeVØ 200m

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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Starke FokussierungBESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider

AGS 1960

33 GeVØ 257m

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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Beampipe: 20cm x 61cmEnergie: 3,3GeVØ : 22mStahl [t]: 2000

Ø 3-5 cm33GeV257m4000

Cosmotron 1952 AGS 1960

Querschnittsvergleich

Starke Fokussierung

Alternating Gradient Sychrotron


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Führungsfeld und Fokussierung in einem.

Führungsfeld durch Dipolmagnete(D)Fokussierung durch Quadrupol-Dubletts(QD)

D

QDQD

D

Combined Function Magnets:

Separated Function Magnets:

Gradient,nicht Feldrichtung

Optik: Linsen-Dubletts


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

z

x

NS

SN

F

F F

F

Bx= -gz Bz= -gx

Horizontal fokussiered und gleichzeitig vertikal defokussierend

Starke FokussierungQuadrupol

x

x

x

x


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

z

x

s

s

L

2L fFokussierung wenn:

0pf

e g l

Gradient des B-Feldes

reale Länge des Quadrupols

Starke FokussierungVergleich mit Optik


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Starke FokussierungBewegungsgleichung

20

1 1

0

px s k x s

R R p

z s k z s

0

R R s

qk k s g s

p

z

x

x(s)

z(s)

s

r 0

s

Schwingung um Sollbahn Betatron-Schwingung


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Collider-Prinzip

Collider-PrinzipKollidierende Teilchenstrahlen

Vorteile:

Höhere Schwerpunktsenergie bei kleinerer Strahlenergie

2 2

1 2 3 4s p p p p

1p 2p

4p3p

2 22 2

2

E mE

m

100E GeV 20E TeV


E E

E

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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Vorteile:

Recycling

Fixed-Target: Bunche gehen nach Kollision verloren

Collidern: Bunche werden recyclet

x

x .

.

x

x

.

.

LHC: 2835 Bunche, Abstand 25ns, 1011Protonen/Bunch


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC


Vorteile:

Teilchen und Antiteilchen können in einer Strahlröhre gegensinnig beschleunigt werden.

.

FLFL

v v‘

Nachteile:

Identische Teilchen können nicht in einer Strahlröhre gegensinnig beschleunigt werden.

q-q


|v|=|v‘|

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Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC


Nachteile:

Luminosität geringer als bei Fixed-Target- Experimenten.

Problem bei p-p-Collidern:

Protonen sind keine Punktteilchen Impulsverteilung der Konstituenten

Collider: 33 2 110 cm s L37 2 110 cm s LFixed Target:


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC


ISR Intersecting Storage Rings, 1.p-p-Collider 1971, 31+31GeV, bis 1984


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Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC



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Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Supraleitende MagneteBESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider

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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Supraleitende MagneteVergleich

Elektromagnete mit Eisenkern:

(Sättigung des Eisens)

Elektromagnete ohne Eisenkern (Luftspule):

- Normal-Leiter

Stromdichten bis 100A/mm²

- Supraleiter

Stromdichten >1500A/mm²

1B T

2B T

6B T

Multipolordnung


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Supraleitende MagneteSpule ohne Eisen-Kern

Diese Stromverteilung erzeugt ein B-Feld m-ter Ordung:

0 cosI I m , m N

Beispiel m=1: Dipolfeld


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Supraleitende MagneteSupraleiter = Idealer Diamagnet

F F

Idealer Diamagnet: 1m

M= H=-Hm

H

S.L


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Ströme fließen nur im Mantelbereich

F

M= H=-HmH

F.

S.L

S.L

S.L

.

..

.

..

.

.

Idealer Diamagnet: 1m


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Supraleitende MagneteSupraleiter = Idealer Diamagnet

Supraleitende MagneteSupraleiterkabel

..

.

..

.

.

Große Oberfläche, um kritische Stromdichte zu vermeiden

Quenching

Plötzlicher Verlust der Supraleitung Normalleitung = Leistungsabfall/Wärme


Filamente

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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Um die Ausbreitung eines Quenches zu verhindern wird das S.L.Material von Kupfer umgeben:

Cu transportiert Wärme ab. Cu übernimmt kurzfristig den Stromtransport


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Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Supraleitende MagneteSupraleiterkabel


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Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Warum NbTi ? NbTi läßt sich leicht verarbeiten, d.h. es ist nicht spröde.

Supraleitende MagneteNbTi


S.L.2. Art lassen höhere äussere Felder zu.B-Feld kann in Fluss-Schläuchen eindringen

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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Supraleitende MagneteLHC-Dipol

Querschnitt eines LHC-Dipolmagneten


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Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Spulen und mech. Einfassung

Abstoßende Kräfte zwischen den Leitern:400t pro Meter Leiterlänge


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC


Länge: ca. 15m Gewicht: 27t Strom:11850AB-Feld: 8,3T Anzahl: 1232


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC



VORBEREITUNG

MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC


Strahldivergenz bleibt bei Fokussierung erhalten„Divergenz=Transversale Temperatur“

Notwendigkeit:


Verbesserung der ‘Strahlqualität‘VORBEREITUNG

MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Idee Simon v.d. Meer 1972

Pick-Up Kicker

Signalübertragung Abkürzung

Teilchenzahl zu groß Untersysteme ( „Makroteilchen“)


Transversales E-Feld „kickt“ Teilchen auf neue Bahn

Probleme

gegeben durch Betatronschwingung


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MEILENSTEINE

Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC


Pick-Up Kicker: Strecke kurz Durchdringung der Makroteilchen unerwünscht

Kicker Pick-Up: Strecke möglichst lang„kalte“ und „warme“ Makroteilen mischenGesamttemperatur sinkt.


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Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

Stochastische KühlungBESCHLEUNIGERProton-Synchrotrons & -Collider

Antiproton Accumulator Ring CERN

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Fokussierung

Collider-Prinzip



TEVATRON & LHC

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MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC


VORBEREITUNG

MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC


Tevatron & LHC…

Tevatron

VORBEREITUNG

MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC

Tevatron

LHC

Ausblick


Oberirdisch!

Tevatron

VORBEREITUNG

MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC

Tevatron

LHC

Ausblick


1 TeV

3.2 km Umfang

6.3km Umfang

LHC

VORBEREITUNG

MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC

Tevatron

LHC

Ausblick


LHC

Umfang: 27km

7TeV 7TeV

L=1034cm-2s-1

VORBEREITUNG

MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC

Tevatron

LHC

Ausblick


VORBEREITUNG

MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC

Tevatron

LHC

Ausblick


Computer-Grafik

LHCZeitplan

Oktober 2006

April 2007

Herbst 2007

Ring wird geschlossen und gekühlt

LHC-Inbetriebnahme(erste Strahlen)

Erste pp-Kollisionen

VORBEREITUNG

MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC

Tevatron

LHC

Ausblick


Ausblick

VORBEREITUNG

MEILENSTEINE

TEVATRON & LHC

Tevatron

LHC

Ausblick


VLHC (233km, bis 200TeV)http://vlhc.org/

LHC (27km)

Tevatron (6,3km)

LHC & TevatronLHC-Bilder

Ende

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