Teilchenbeschleuniger (Grundlagen)

Seminar zum F-Praktikum WS 08/09
Stephan Knöner
Teilchenbeschleuniger (Grundlagen)
Bei
der
Untersuchung
von
mikroskopischen Objekten muss die
Wellenlänge
der
Strahlung
die
Größenordnung des Objekts haben.
Ein Nukleon z.B. hat eine Größenordnung
von etwa 10-15m, was einer Energie von
E=hc/λ=1,2GeV entspricht.
Man kann neue Teilchen erzeugen, soweit
die Strahlung zwei mal (bei Erzeugung
eines Teilchen-Antiteilchen-Paares) bzw.
einmal (z.B. Z-Boson) die Ruheenergie
des zu erzeugenden Teilchens hat.
So wird am CERN nach dem HiggsTeilchen gesucht, dem eine Masse von
(117-153GeV)/c2 vorhergesagt wird.
Außerdem finden Teilchenbeschleuniger
unzählige Anwendungen in der Industrie,
der Chemie und der Medizin.
Zur Beschleunigung der Teilchen dient die
elektromagnetische Wechselwirkung, da
die starke und die schwache WW eine zu
kurze Reichweite haben und die
Gravitation zu schwach ist. Für den
Energieübertrag
gilt
ΔE=qU,
Beschleunigung kann also nur mittels
elektrischer Felder erfolgen. Ablenkung
der Teilchen erfolgt mittels magnetischer
Felder.
Gleichspannungsbeschleuniger
Teilchen aus einer Teilchenquelle werden
in einem Vakuumrohr, welches an einen
Hochspannungsgenerator anliegt, mit Hilfe
eines
elektrostatischen
E-Feldes
beschleunigt. Beispiel für solch einen
Beschleuniger ist ein Van-de-Graaff
Beschleuniger.
Ein Band transportiert positive Ladung auf
eine leitende Hohlkugel, welche dann als
Hochspannungselektrode
für
die
Beschleunigungsröhre dient, in welcher die
Ionen zum Target hin beschleunigt werden.
Das Strahlrohr ist für eine bessere
Energieschärfe und eine Fokussierung des
Strahls durch Widerstände unterteilt.
Gleichspannungsbeschleuniger haben den
Vorteil, dass sie einen kontinuierlichen
Strahl liefern. Die maximale Strahlenergie
ist durch den Koronaeffekt begrenzt, beim
Van-de-Graaff etwa 10MeV/Nukleon.
Hochfrequenz (HF) Linearbeschleuniger
Zur Umgehung der Grenzen der
Gleichbeschleunigung wurde das Prinzip
der Hochfrequenzbeschleuniger entwickelt.
Ein Linearbeschleuniger (LINAC) besteht
aus verschiedenen Metallröhren, die
abwechselnd an eine HF angeschlossen
sind. Die Röhren sind im Inneren feldfrei,
somit findet die Beschleunigung zwischen
den Röhren statt. In der Zeit, die das
Teilchen braucht um durch eine Röhre zu
driften, ist die HF um eine halbe Periode
weitergelaufen, somit sieht das Teilchen
erneut eine beschleunigende Spannung.
Zur Phasenfokussierung werden die
Teilchen an der steigenden Flanke der
Spannung mit der Phase Ψ beschleunigt.
HF Kreisbeschleuniger
Da LINAC´s für größere Energien sehr
groß werden, führt man die Teilchen im
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Stephan Knöner
Teilchenbeschleuniger (Grundlagen)
Kreis und benutzt die Beschleunigungsstrecke mehrmals. Die Ablenkung der
Teilchen auf eine Kreisbahn geschieht
mittels eines magnetischen Feldes.
Bei einem Zyklotron, werden die Teilchen
zwischen den DEEs, welche an eine HF
angeschlossen sind und zu denen senkrecht
ein B-Feld steht, beschleunigt. Der Radius
der Kreisbahn wächst dabei mit der
Geschwindigkeit der Teilchen. Die
Umlauffrequenz wZ=qB/m ist konstant und
die Hochfrequenz kann somit darauf
abgestimmt werden (wHF=wZ). Das
Zyklotron ist nicht für Elektronen geeignet,
da diese zu schnell relativistisch werden.
Da das B-Feld nicht von 0 aus linear
hochgefahren werden kann, müssen die
Teilchen in einem Vorbeschleuniger auf
die gewünschte Energie vorbeschleunigt
werden. Beim Synchrotron entsteht
sogenannte Synchrotronstrahlung, welche
zu einem Energieverlust
EVerlust ∞ E4/(m0)4*1/R
führt. Für Elektronen sind damit die
Energien auf etwa 100GeV beschränkt. Für
höhere Energien werden Protonen (die eine
wesentlich größere Masse haben und somit
wesentlich weniger Synchrotronstrahlung
abgeben) beschleunigt.
Literatur
Klaus Wille: Physik der Teilchenbeschleuniger
Quellen aus dem WWW
Beim Mikrotron treten die Teilchen schon
mit annähernd Lichtgeschwindigkeit ein.
Nach jedem Umlauf werden die Teilchen
in einem LINAC beschleunigt. Mit
steigender Energie wächst der Radius der
Teilchen
R=E/(ecB),
wobei
die
Energiezufuhr so geregelt ist, dass die
Flugzeit der Teilchen bei jedem Umlauf
ein Vielfaches der HF-Periodendauer des
LINAC ist. Bei einem bestimmten Radius
durchlaufen
die
Teilchen
einen
Ejektionsmagneten und werden zum
Experiment geführt.
Beim Synchrotron wird der Radius der
Teilchenbahn
konstant
gehalten,
R=E/(ecB), das heißt das B-Feld wird
synchron mit der Energie hochgefahren.
Entwicklung der Beschleuniger
(www.maxlab.lu.se/accphys/teach/mnx301/2003/Klaus\%20Wille/Hist
orie.pdf)
Vorlesung "Teilchenbeschleuniger", TU
M\"unchen; Prof. Biebel
(www.physik.uni-muenchen.de/~
Otmar.Biebel/beschleuniger/index.html)
Vorlesung "Einführung in die Teilchenphysik",
Desy; (www.desy.de/~
boehmej/teaching/vl\_06\_Beschleuniger.pdf)
Vorlesung "Kernphysik", GSI; H.J. Wollersheim
(http://wwwaix.gsi.de/~wolle/TELEKOLLEG/KERN/kern.ht
ml)
Vorlesung "Accelerator Physics and
Technology", TU Darmstadt; Rüdiger Schmidt
(rudi.home.cern.ch/rudi/lectures\%20darmstadt
/overview.htm)
www.gsi.de/beschleuniger/sis18/pdf/cern.pdf