Einführung in Physik und Technik der

Teilchenbeschleuniger

Rüdiger Schmidt - CERN

Vorlesung an der Technische Universität Darmstadt im WS 2000-2001

Februar 2001

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Übersicht

• Einleitung der Vorlesungsreihe

Überblick der Technologien für Teilchenbeschleuniger Beschleunigertypen, Anwendungen und wesentliche Parameter

Synchrotronstrahlung

• Vakuumphysik und Technik für Teilchenbeschleuniger

• Konventionelle und Supraleitende Magnete für

Teilchenbeschleuniger

• Messverfahren für Teilchenstrahlen und Strahlbeobachtung

• Rechnergestützte Beschleuningerplanung - kurze Übersicht und - ein Beispiel

Der LHC als eine Anwendung von Teilchenbeschleunigern

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Danksagung

Alle Kollegen, die mir für diese Vorlesungen ihr Material überlassen haben sei herzlich gedankt, inbesonders S.Russenschuck, A.Verweij, R.Jones, T.Linnecar und M.Meddahi.

Für die freundliche Hilfestellung bedanke ich mich besonders bei H.Lengeler vom CERN, und ausserdem bei den Kollegen von der TU Dramstadt.

Die Darstellung folgt in einigen Teilen dem ausgezeichneten Buch von K. Wille, aus dem auch einige Abbildungen übernommen wurden.

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Modellbeschleuniger

Als Anwendung für die vorgestellten Themenbereiche werden wir einen Modellbeschleuniger bauen.

Da die Werkstätten an der TU Darmstadt in dieser Woche nicht die notwendigen Komponenten herstellen können, und auch die Finanzierung dieses Projektes keinesfalls gesichert ist – werden wir uns mit einem Computermodell eines Beschleunigers zufriedenstellen.

Andere Beispiele betreffen den im Bau befindlichen LHC Beschleuniger am CERN, in dem Protonen mit einer Energie von 7 TeV kollidieren werden.

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Spezielle Literatur für Teilchenbeschleuniger

• Physik der und Synchrotronstrahlungsquellen Klaus Wille, Teubner Teilchenbeschleuniger Studienbücher, 2. Auflage 1996 (Sehr gutes Lehrbuch)

• Skript von H.Lengeler

• Proceedings of CERN ACCELERATOR SCHOOL (CAS), Yellow Reports, für viele Themen in der Beschleunigerphysik, General Accelerator Physics, and topical schools on Vacuum, Superconductivity, Synchrotron Radiation, Cyclotrons, and others… http://schools.web.cern.ch/Schools/CAS/CAS_Proceedings.html

• 5th General CERN Accelerator School, CERN 94-01, 26 January 1994, 2 Volumes, edited by S.Turner

• Superconducting Accelerator Magnets, K.H.Mess, P.Schmüser, S.Wolff, WorldScientific 1996

• Handbook of Accelerator Physics and Engineering, A.W.Chao and M.Tigner, World Scientific, 1998 (Nachschlagewerk für viele Themen in der Beschleunigerphysik - nicht als Lehrbuch geeignet)

• F.Kneubühl: Repetitorium der Physik, Teubner Studienbücher, Stuttgart 1982

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Teilchenbeschleuniger – vier Versuche einer Klassifizierung

1) Definition - Was sind Teilchenbeschleuniger ?

CAMBRIDGE DICTIONARY: A particle accelerator is a machine which makes extremely small pieces of matter travel at very high speeds, so that scientists can study the way they behave.

Welche Teilchen?Was bedeutet « Beschleuniger »?

2) Wie sehen Teilchenbeschleuniger aus?

LinearbeschleunigerKreisbeschleuniger (Kreis - oder so etwas ähnliches)Recirculating Linacs

3) Welches sind die wesentlichen Parameter?

TeilchenartEnergie der beschleunigten TeilchenStrahlparameter

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Teilchenbeschleuniger - Klassifizierung

4) Welches sind die Anwendungen von Teilchenbeschlenigen?

Teilchenphysik (CERN, DESY, SLAC, FERMILAB, RHIC, KEK…)

Kernphysik (S-DALINAC, GSI, RHIC….)

Anwendungen von Synchrotronstrahlung (z.B. ESRF, DESY, Dortmund, Karlsruhe….)• Chemie• Biologie• Physik

Industrielle Anwendungen

Medizinische Anwendungen (GSI, PSI, …)• Erzeugung von Radioisotopen• Bestrahlung von Patienten

Archelogie

Energietechnik• Kernfusion• Energy Amplifier (C.Rubbia, Protonenstrahl auf Bleitarget zur Verbrennung von

Plutonium)

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Welche Teilchen ?

Von 1930 bis heute…..• Elektronen

• Masse 511 keV, elementares Teilchen, negative Ladung e=1.602 10-19 C

• Positronen• Masse 511 keV, elementares Teilchen, positive Ladung e=1.602 10-19 C

• Protonen• Masse 938 MeV, kein elementares Teilchen (Quarks und Gluonen),

positive Ladung 1.602 10-19 C

• Antiprotonen• Wie Protonen aus Quarks aufgebaut, Masse wie Protonen, negative Ladung

• Ionen (von Deuteronen zu Blei)• Ladung vielfaches einer Elementarladung, Masse von 2*Proton bis Blei

Ideen für die Zukunft• Myonen - Collider

• elementares Teilchen wie e+ und e-, Masse 106 MeV, Ladung e=1.602 10-19 C• Lebensdauer: 2.2 10-6 s im Ruhesystem - in LAB System dt_LAB = * dt_RS

• z.B. Beschleunigung von DNA – Bestandteilen - zur Krebstherapie

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Werden in Beschleuniger Teilchen « beschleunigt »?

• trifft für die meisten Beschleuniger zu … aber nicht für alle • ein Fernsehgerät würde man nicht als Beschleuniger bezeichnen,

obwohl Elektronen mit einer Spannung von einigen kV beschleunigt werden

Beschleuniger, in denen Teilchen gespeichert werden (ohne die Energie zu erhöhen) : • zur Akkumulation von Positronen und Antiprotonen• zur Kollision von zwei Protonenstrahlen (Injektion bei Kollisionsenergie, z.B.

CERN ISR)• Beschleuniger, die Synchrotronstrahlung erzeugen (einer der wichtigsten

Beschleunigertypen), Injektion häufig bei Endenergie

Beschleuniger, in denen Teilchen abgebremst werden :• Die Erzeugung von Antiprotonen funktioniert mit Protonen, die mit einer

Energie von einigen GeV auf ein Target gelenkt werden (CERN)• Die Antiprotonen haben eine kinetische Energie von einigen hundert MeV,

und werden für Experimente auf wenige eV abgebremst

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Welche Parameter für welche Anwendung - Überblick I

Teilchenphysik - Collider: Energie und Luminosität

e+e-• Speicherringe (LEP-CERN, B-Factories)• SLC am SLAC • Linearbeschleuniger (Linacs) - in Planung - TESLA - DESY, CLIC - CERN, NLC -

SLAC

Hadronen• Proton-Proton (LHC - CERN)• Proton-Antiproton Collider (SPS - CERN, TEVATRON - FERMILAB, RHIC - BNL)

e+ oder e- / Proton• HERA (DESY)

Beschleuniger, die einen Strahl auf ein Target lenken (z.B. für Neutrinophysik): Energie und Intensität

• Synchrotron (SPS - CERN, TEVATRON - FERMILAB)• Linearbeschleuniger (SLAC)

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Welche Parameter für welche Anwendung - Überblick II

Erzeugung von Synchrotronstrahlung - Brillianz, Energiespektrum der

Photonen• e+ und e- Speicherringe (viele !)• Free electron laser (e- Linacs) oder Speicherring

Kernphysik - Intensität und Teilchensorte• Linacs und “recirculating linacs“• Zyklotrone• Synchrotrone• Ionenbeschleuniger (GSI)

Industrielle Anwendungen

Medizinische Anwendungen Erzeugung von Radioisotopen und Krebstherapie - Präzision und Betriebssicherheit

• Linacs• Synchrotron• Zyklotron

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Gemeinsamkeiten

Strahldynamik (H.Lengeler)• Strahloptik• longitudinaler Phasenraum (Beschleunigung)• kollektive Effekte

Strukturen für die Teilchenbeschleunigung• Hohlraumresonatoren

Magnete

Vakuum

Instrumentierung und Strahlkontrolle

Injektion - Extraktion

Teilchenquellen

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Um zu hohen Energien zu beschleunigen….. Beispiel LEP

Beschleunigungsstrukturen (Hochfrequenz Cavities) werden in den meisten Beschleuniger benötigt• Normalleitende Cavities aus Kupfer: 1-2 MeV/m lassen sich routinemässig erreichen. Mit gepulsten Cavities (z.B. SLAC) kommt

man wesentlich höher – zwischen 50-80 MV/m (in der Entwicklung)• Supraleitenden Cavities:

• LEP : 5-8 MeV/m• Ziel von TESLA : etwa 25 MeV/m

Die Endenergie der e+ und e- Strahlen vom LEP Collider ist 100 GeV. Wenn der Beschleuniger als LINAC mit einer Technologie, die vor 15 Jahren zur Verfügung stand, gebaut worden wäre, hätte er eine Länge von:

L = 100 GeV / 2.5 MeV = 40000 m

für jeden der beiden Linearbeschleuniger für Elektronen und Positronen – d.h. 80 km

Ausserdem wären die supraleitenden Cavities wesentlich teurer geworden.

Elektronenlinac 40 km Positronenlinac 40 km

Schwerpunktsenergie im Zentrum = 200 GeV

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Luftaufnahme von LEP - in Zukunft LHC

LHC

7 TeV im LEP Tunnel

Länge:

26.8 km

Injektion

vom SPS

450 GeV

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….werden Kreisbeschleuniger gebaut

Die Teilchen laufen bei jedem Umlauf durch die Beschleunigungsstruktur.

Ein Umlauf dauert 89 s. In einer Sekunde macht ein Teilchen 11246 Umläufe, und läuft bei jedem Umlauf durch die Beschleunigungsstrecke.

Während der Beschleunigung von 20 GeV auf 100 GeV wird das Magnetfeld in allen Ablenkmagneten von 0.024 Tesla auf 0.119 Tesla hochgefahren.

Die Magnetrampe dauert einige Minuten.

LEP - Umfang 26.8 km

2/4/8 Bunche / Strahl

eine Vakuumkammer

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Magnetrampe im Kreisbeschleuniger

Der Impuls ist durch Stärke des Ablenkmagnetfeld und Krümmungradius gegeben:

p = B e0

Mit der Injektionsenergie von LEP: Elep_inj 20GeV und der Endenergie

Elep_end 100GeV ergibt sich bei Injektion das Feld in den Ablenkmagneten von

Blep_inj

Elep_inj

e0 c und Blep_end

Elep_end

e0 c

Magnetfeld bei Injektionsenergie: Blep_inj 0.024 T

Magnetfeld bei Endenergie: Blep_end 0.119 T

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Beschleunigung im Kreisbeschleuniger

Aus dieser Abschätzung sieht man, das pro Umlauf eine Spannung von einigen 10 kV ausreichen würde, um ein Teilchen von 20 GeV auf 100 GeV zu beschleunigen.

In LEP haben die Beschleunigungsstrukturen jedoch eine Spannung von etwa 2-3 GV (!!).

=> Synchtrotronstrahlung

Für eine Dauer von 5 min für die Rampe: Nramp 11246Hz 300 s und die Energieänderung von 80 GeV ist eine

Beschleunigung der Elektronen von EturnElep_end Elep_inj

Nramp erforderlich,

d.h. Eturn 2.371 104 eV

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Um zu noch höheren Energien zu beschleunigen…..

LHC – 7000 GeV Protonen kollidieren mit 7000 GeV Protonen - Linac oder Ring ?

Selbst mit supraleitenden Cavities vom TESLA Typ wäre der Beschleuniger 560 km lang, das wäre nicht zu bezahlen.

Der LHC wird im LEP Tunnel eingebaut. Die Protonen werden bei einer Energie von 450 GeV injiziert (vom SPS), und auf 7 TeV beschleunigt. Das Magnetfeld ist: B-LHC = 7000 / 100 * B-LEP => supraleitende Magnete

Um Elektronen und Positronen bei einer Schwerpunktenergie von einigen 100 GeV zu kollidieren, wird weltweit an der Entwicklung von Linearbeschleunigern gearbeitet:

DESY (Hamburg): TESLA

CERN (Genf): CLIC

SLAC (Stanford): NLC

KEK (Japan): JLC

Man hofft, auf eine Beschleunigung von 20 MeV/m …. 100 MeV/m zu kommen.

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Warum werden zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung Elektronen oder Positronen gespeichert?

Warum wurde LEP mit e+e- betrieben, und der LHC mit Protonen?

Warum werden e+e- Linearbeschleuniger entwickelt, die Teilchen mit wesentlich mehr Energie als LEP zu Kollision bringen sollen?

Warum werden die Strahldimensionen in einem Elektronenbeschleuniger mit zunehmender Energie grösser, und in einem Protonenbeschleuniger kleiner?

=> Abstrahlung von Synchrotronstrahlung

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Bau eines Teilchenbeschleunigers zu Erzeugung von Synchrotronstrahlung

Aufgabe:

Eine Gruppe von Biologen, Chemiker und Materialwissenschaftler schlagen vor, eine Quelle zu bauen, die starke Röntgenstrahlung ( - Strahlung) im Energiebereich von 5 keV bis 10 keV erzeugt.

Es steht eine Halle Verfügung, die eine Länge von 30 m und eine Breite von 20 m hat.

Ausserdem steht ein Linearbeschleuniger zur Verfügung, der Elektronen bis zu einer Energie von 100 MeV beschleunigen kann.

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Synchrotronstrahlung

• Bild von erster Beobachtung• Synchrotronstahlung einer beschleunigten Ladung, Larmor Gleichung• Winkelverteilung, Hertz’scher Dipole• Lorentztransformation• Relativistisch invariate Form der Strahlungsgleichung• Lineare Beschleunigung• Kreisbeschleunigung• Winkelverteilung der Synchrotronstrahlung• Energiespektrum der Synchrotronstrahlung• Quantisierung der Strahlung, Anzahl der Photonen• Beispiele: Beschleuniger für Erzeugung von Synchrotronstrahlung,

LEP, LHC

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Parameter der Synchrotronstrahlung

Beschleunigte Ladungen strahlen Photonen ab.

Im Beschleuniger werden geladenen Teilchen beschleunigt.…• in den Beschleunigungsstrecken, d.h. den Cavities (in Richtung des

Teilchenimpuls)• wenn die Teilchen abgelenkt werden, also in allen (Dipol)-Magneten

Der umlaufende Strahl gibt Synchrotronstrahlung ab, die wesentlichen Parameter sind:

• Energiespektrum der Synchrotonstrahlung • Abgestrahlte Leistung• Winkelverteilung der Strahlung

Im folgenden werden die Parameter der Synchrotronstrahlung abgeschätzt. Eine vollständige Ableitung im Rahmen der Quatenmechanik geht über die Vorlesung hinaus.

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Erste Beobachtung von Synchrotronstrahlung

1947 - 70 MeV Synchrotron, General Electric Research Lab

Vakuumkammer aus Glas - daher konnte man die Strahlung beobachten

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Abstrahlungswinkel der Photonen

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Transformation der Photonen vom RS ins LAB System

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Abschätzung der Photonenenergie

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Normalisiertes Energiespektrum

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Brillianz der Synchrotronstrahlung

Für Experimente ist die Intensität der Strahlung eine der wichtigsten Grössen. Die meisten Experiments brauchen Photonen in einem bestimmten Energieintervall, dass 0.1% beträgt. Der Fluss ist die Anzahl der Photonen pro Sekunde in einem Energieintevall für einen Strahlstrom von 1 A.

ABWsecPhotonen

fluxFluss

)%1.0(

)(

Dabei ist nicht berücksichtigt, durch welche Fläche die Photonen fliessen. Dazu wird die Brillianz eingeführt:

yxyx

FluxB

AmradmmBWsec

PhotonenbrillianceBrillianz

''2

22

4

)%1.0()(

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ESRF - European Synchrotron Radiation Facility (Grenoble)

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Übersicht der Brillianz von Synchrotronstrahlungsquellen

• Röntgenstrahlung

• Erste Beschleuniger am SLAC und bei DESY - parasitär zu Teilchenphysik

• Erste Beschleuniger nur zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung

• Weitere Beschleuniger

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Experiment an der ESRF