Einführung in die Kern- und Teilchenphysik I Vorlesung 22 9.1.2015

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Einführung in die Kern- und Teilchenphysik I
Vorlesung 22
9.1.2015
Beschleuniger
- Kreisbeschleuniger
- Linearbeschleuniger
- (Supraleitende Magnete)
1) Wozu Beschleuniger?
Bildquelle: Wikipedia
Physik
Strukturuntersuchungen (tiefinelastische Strahlung)
Erzeugung schwerer Teilchen
Medizin
Röntgenstrahlung
Strahlentherapie
Herstellung von Radioisotopen
Energieerzeugung
Kernfusion
Industrie
Radiographie mit Röntgenstrahlen
Ionen­Implantation
Isotopen­Herstellung/­Trennung
Material­Untersuchungen
Nahrungsmittel­Sterilisation
Elektronen­/Röntgenstrahl­Lithographie
1.1) Strukturuntersuchungen
Um kleine Objekte zu sehen, brauchen wir hohe Energien
de Broglie:
Ein Teilchen ist auch eine Welle mit:
Wir wollen kleine
Wellenlängen haben,
um kleine Objekte
aufzulösen (Beugung etc.)
Energie-Wellenlänge Beziehung:
hohe Auflösung = hohe Energien
1.2) Erzeugung schwerer Teilchen
Verfügbar: e, p, n, ν, γ, (μ)
Kollision beschleunigter Teilchen (meist e+e­, pp, pp)
­> Erzeugung angeregter und sonstiger Zustände höherer Masse
­> Erzeugung von Sekundärstrahlen
Schwerpunktsenergie
muss ausreichen
(Schwerpunkts­
impulserhaltung
beachten) 2) Prinzip einer Beschleunigeranlage
am Beispiel Röhrenfernseher Produktion freier
Elektronen durch
Erhitzung
Elektromagnetische
Felder steuern die
Teilchen
Beschleunigung
durch elektrische
Felder
Beobachtung der
Elektronen am
Schirm
2.1) Teilchenstrahlen aus natürlichen Quellen?
Radioaktiver Zerfall
α, β, γ
Kernspaltung
n, Kerne, ν
Kosmische Strahlung
p
Höhenstrahlung
π, μ
statistischer Prozess
geringe Energie (keV - MeV)
statistischer Prozess
auch hohe Energie (bis 1020 eV)
weites Energiespektrum
Herkunft? Ursprungsteilchen?
-> Teilchenstrahlen in Forschungsanlagen
erzeugen und beschleunigen
2.2) Teilchenstrahlen
Für geladene Teilchen (e,p):
Beschleunigung ­> hohe Energien (E­Felder)
Bahnablenkung ­> Kreisbahn, auf Target (B­Felder)
Fokussierung ­> räumlich begrenzter Strahl (B­Felder)
­> geringe Impulsunschärfe (Strahlkühlung)
­> hohe Energiedichte
2.2) Teilchenstrahlen
Für geladene Teilchen (e,p):
Beschleunigung ­> hohe Energien (E­Felder)
Bahnablenkung ­> Kreisbahn, auf Target (B­Felder)
Hohe Energie?
14 TeV = 2x10­6 J
=6x10­13 kWh
Fokussierung ­> räumlich begrenzter Strahl (B­Felder)
­> geringe Impulsunschärfe (Strahlkühlung)
­> hohe Energiedichte
2.2) Teilchenstrahlen
Für geladene Teilchen (e,p):
Beschleunigung ­> hohe Energien (E­Felder)
Bahnablenkung ­> Kreisbahn, auf Target (B­Felder)
Hohe Energie?
14 TeV = 2x10­6 J
=6x10­13 kWh
Fokussierung ­> räumlich begrenzter Strahl (B­Felder)
­> geringe Impulsunschärfe (Strahlkühlung)
­> hohe Energiedichte
Konzentriere die Energie auf einen kleinen Punkt.
2.3) Strahlführung
Magnete werden zur Strahlführung benutzt:
Dipolmagnete
dienen zur Strahlablenkung
optische Analogon: Prisma
2.3) Strahlführung
Magnete werden zur Strahlführung benutzt:
Dipolmagnete
dienen zur Strahlablenkung
optische Analogon: Prisma
Fokussierung durch
Quadrupolmagnete
optische Analogon: Linsen
Positives Teilchen an
A ­ nicht abgelenkt
B ­ nach innen abgelenkt
C ­ nach aussen abgelenkt
2.3) Strahlführung
fokussierend
defokussierend
Quadrupol als dünne Linse
2.3) Strahlführung
Eine Kombination aus fokussierenden und defokussierenden
Elementen erzeugt einen Fokus:
Die Kombination zweier Quadrupole, welche um 90°
verdreht sind, ist fokussierend für geladenen
Teilchen.
2.3) Strahlführung
Optik (Linse 1 und 2):
Falls f1 = −f2
fokussierend
➥ Starke Fokussierung
3) Beschleunigertypen
- Kreisbeschleuniger
- Linearbeschleuniger
3.1) Van-de-Graaf-Beschleuniger
1930 (U = 1.5 MV) [heute bis ~ 25 MV]
Umwandlung mechanischer in elektrische Energie
Entladungen begrenzen max. Spannung → Druckbehälter mit
trockenem Gas (N2, CO2, SF6)
3.1) Van-de-Graaf-Beschleuniger
Bildquelle: Wikipedia
3.1) Tandem-Van-de-Graaf-Beschleuniger
Bildquelle: Wikipedia
Nicht geeignet für Elektronen (Ladungsänderung)
und Edelgase (Ionisation)
Stripperfolie oder Gasstrecke
3.2)
Paschen Gesetz:
in einem homogenen Feld ist die Durchschlagspannung eine
Funktion des Produkts aus Gasdruck und Elektrodenabstand
niedriger Druck
➥ lange Weglänge
der Elektronen
zwischen Stößen
hoher Druck
➥ hohe Spannung
nötig um Gas zu
ionisieren
[Wikipedia]
3.2) Cockcroft-Walton-Beschleuniger
1919/1932
Bildquelle: Wikipedia
Umax limitiert durch
entstehen einer
Gasentladung bei hohen
Feldstärken
Beschleunigungspannung: 750 kV
3.2) Cockcroft-Walton-Beschleuniger
Hochspannungskaskade
Bildquelle: Wikipedia
Wechselspannung ­> hohe Gleichspannung (bis einige MeV)
3.2) Cockcroft-Walton-Beschleuniger
3.3) Dynamitron-Tandem-Beschleuniger
Ablenkmagnete
Analysiermagnet
definiert Energie
RUBION
Ruhr-Universität
ähnlich Cockroft-Walton-Beschleuniger
Wechselspannung->hohe Gleichspannung
durch Gleichrichterelemente in Serie
Bildquelle: RUBION
3.3) Dynamitron-Tandem-Beschleuniger
Bildquelle: RUBION
500 kV Beschleuniger
100 kV Ionenquellenteststand
MED Implanter
Ionenquelle für
Strahlentherapie
3.4) Kreisbeschleuniger
a) Betatron
b) Zyklotron
c) Mikrotron
Im Bereich der grauen Fläche wirkt jeweils ein Magnetfeld.
d) Synchrotron
3.4) Kreisbeschleuniger
3.4) Kreisbeschleuniger
3.5) Zyklotron
1932: Inbetriebnahme des ersten Zyklotrons (E. O. Lawrence und M. S. Livingston)
Ernest O. Lawrence
Lawrence Berkeley
National Laboratory (1939)
3.5) Zyklotron
= Duanten
3.5) Zyklotron
Protonen bis 25 MeV
nicht für Elektronen -> Betratron
3.5) Zyklotron
Berkeley Zyklotron
Bildquelle: Wikipedia
Anwendung in der Medizin:
­ Strahlentherapie
­ Herstellung von Radionukliden (PET z.B.)
3.6) Betatron
Für Elektronen/Positronen bis 200 MeV
1935
keine Beschleunigungselektrode
zeitliche veränderliches Magnetfeld
Bildquelle: Wikipedia
3.7) Mikrotron
Für Elektron/Positron
bis 50 MeV
Einzelresonator
Linearbeschleuniger
Schema des klassischen Mikrotrons
Schema des Rennbahnmikrotrons
Quelle: de.wikipedia.org
3.7) Mikrotron
Mainzer Mikrotron
Bildquelle: Wikipedia
3.8) Synchrotron
(Sonderform: Speicherring)
3.10) Linearbeschleuniger (LINAC)
für Elektronen
Kreisbeschleuniger: hohe Energie
durch lange Beschleunigung
aber Synchrotonverluste
3.10) Linearbeschleuniger
3.10) Linearbeschleuniger
3.9) Beschleunigung durch el. Wechselfelder
Wanderwellenschleuniger
Elektroenn
hoehe Energie
lange Beschleunigung
Kries Synchrotonverluste
3.10) Linearbeschleuniger: SLAC
SLAC National Accelerator Laboratory (SNAL)
Wanderwellenschleuniger
3.10) Linearbeschleuniger: SLAC
Bildquelle:
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
Aufbau von Quadrupolmagneten
Normalleitend:
Aufgebaut aus Eisen (Vermeidung
von höheren Multipolen) und
normalleitenden Spulen (meist
wassergekuhlte
̈
Kupferspulen)
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
Exkurs: Supraleitung
Ohne Ohmsches Gesetz:
• keine Energieverluste
(Kühlung berücksichtigen)
• hohe Stromdichte
• kein Eisen nötig
Folgerungen:
• geringe Betriebskosten
• hohe Stromdichte ⇒
kleinere, leichtere Magnete
• höhere Magnetfelder
Nb-Ti
Conventional iron
electromagnets
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
… thus the mercury at 4.2 K has
entered a new state, which, owing
to its particular electrical
properties, can be called the state
of superconductivity…
H. Kamerlingh-Onnes (1911)
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
Mini-Einführung: Supraleitung
Supraleitung ist die Eigenschaft mancher Materialien. Bei
niedrigen Temperaturen (z.B. Nb-Ti @ 1.9 K) geht deren
Widerstand gegen Null
Die Supraleitung bleibt erhalten, wenn
die Stromdichte, Temperatur und B-Feld
unterhalb der kritischen Oberfläche
bleiben
Die Distanz zwischen dem Arbeitspunkt
und der kritischen Oberfläche für für
gegebenes B und Stromdichte ist die
Temperatur Bandbreite
Der Übergang in den normalleitenden Zustand heisst Quench
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
Das Quench-Problem:
Die magnetische Feldenergie
L
wird in Wärme umgewandelt: RI .
2
Falls dies gleichmässig in der Spule passiert:
 Cu schmilzt bei 1356 K
 dies entspricht E =5.2 109 J/m3
m
die Grenze wäre Bmax ≤ 115 T: Kein Problem
Jedoch findet dieser Prozess nicht gleichmäßig verteilt
statt, sondern in einem sehr kleinen Raumbereich.
R
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
Das Quenchen von supraleitenden Magneten ist normal.
Deshalb muss man gute Sensoren haben und Schutzmaßnahmen treffen.
Quench initiation
Local heating (hot spot)
Normal zone propagation
Voltage development
Quench detection
Safety discharge
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
Schutzmaßnahmen:
Ein guter Leiter (z.B. Ag, Al, Cu) zusätzlich zum Supraleiter
limitiert die maximale Temperatur beim Quenchen.
Die Quench-Folgen können durch folgende Maßnahmen
abgeschwächt werden:
• Reduktion der Stromdichte
• Reduktion des induktiven Widerstands und Anhebung
der Entladungsspannung, um den Magneten so schnell
wie möglich zu entladen.
During tests the energy of 7 MJ in one magnet was
released into one spot in the coil (interturn short)
P.Pugnat
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
Die aufgenommene Wärme muss weniger als 10mW/cm3 sei, um
ΔT > 2 K (kritische Temperaturbegrenzung für NbTi) zu vermeiden.
Eine 1.2m lange Neonröhre mit
∅ = 26mm und 36 W hat eine
Energiedichte von 56 mW/cm3
Dies kann 5 große LHC-Magnete
am CERN quenchen, denn man
braucht die Energie nur in einem
cm3.
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
Welches Kühlmittel?
Superfluides Helium
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
LHC cryogenics does need 40,000 leak-tight pipe junctions. 12
million litres of liquid nitrogen will be vaporised during the
initial cooldown of 31,000 tons of material and the total
inventory of liquid helium will be 700,000 l (about 100
tonnes)
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
IC(5 T, 4.2 K) ≈ 1 kA
Pressen und
kalt ziehen
Wärmebehandlung
NbTi ist eine biegsame
Legierung, die große
Deformationen aushält
LHC Draht
≈ 1 mm
NbTi Rohling
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
Supraleitend
Supraleitend:
● Aufgebaut aus supraleitenden Spulen
(meist aus NbTi, gekuhlt
̈ mit fl. Helium)
→ fur̈ T<Tc fließt Strom ohne
Widerstand
● Feldverteilung ausschliesslich durch
Stromdichteverteilung gegeben
→ Vermeidung von höheren Multipolen
nur durch sehr genaue Spulenwicklung
erreichbar (IQ(φ)=I0∙cos(2φ))
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
KEK - normalleitend
Fermilab - supraleitend
LHC - supraleitend
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
Dipolmagnete zur Strahlablenkung
Normalleitend:
– Aufgebaut aus Eisen (Verbesserung der Homogenität des Feldes) und
normalleitenden Spulen (meist wassergekuhlte
̈
Kupferspulen)
– B≤ 2T wegen Sättigungsmagnetisierung von Eisen
(HFe steigt mit I → BSpalt steigt kaum noch an wenn I ansteigt)
Supraleitend:
– supraleitenden Spulen (meist aus NbTi, gekuhlt
̈ mit fl. Helium)
→ fur̈ T<Tc fließt Spulenstrom ohne Widerstand
– Feldverteilung ausschliesslich durch Stromdichteverteilung gegeben
→ Homogenes Feld nur durch sehr genaue Spulenwicklung erreichbar
(ID(φ)=I0∙cos(φ))
– Erreichbare Magnetfelder von B≤ 10T
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
Dipolmagnete am Fermilab Main Injector
Normalleitend ; B=1,7T ; L=6m ; I(150GeV)=9244A ; Gewicht 17t
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
Dipolmagnete mit einem Strahlrohr (für Teilchen-Antiteilchen)
B = 4,2T ;
T = 4K ;
NbTi
Tevatron: 774 Dipolmagnete
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
Dipolmagnete mit zwei Strahlrohren (für Teilchen-Teilchen)
LHC
B = 8,3T ; L = 15m ; T = 1,9K ; NbTi ; Gewicht = 35 t
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
Bnominal
8.3
current
stored energy
cold mass
≈ 35
(T)
11850 (A)
≈ 10 (MJ)
(tonnes)
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
−J
+J
Ideal current
distribution that
generates a perfect
dipole
−J
+J
Practical approximation of
the ideal distribution using
Rutherford cables
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
Identische Teilchenstrahlen in entgegengesetzter Richtung unterwegs
→ Magnetfeldlinien mussen
̈
in entgegengesetzte Richtung zeigen
Zwei Magnete in einem spart Kosten, Volumen und Material
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
B
B
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
Cable insulation
10 µm precision !
Stored coils
B
Coil winding machine
B
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
Layer jump
Inner layer
Ends, transitions, and any deviation from the regular
structure are the most delicate part of the magnet
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
LHC Unfall am 19.9.2008
Auszüge aus dem Report von CERN-Generaldirektor R. Aymar ⇒
Interconnects
PECFA – 28 November 2008
6
Busbar splice
PECFA – 28 November 2008
6
Summary Report on the analysis of the 19th September 2008 incident
at the LHC
Sequence of events and consequences
Within the first second, an electrical arc developed and punctured the helium
enclosure, leading to release of helium into the insulation vacuum of the cryostat.
The spring-loaded relief discs on the vacuum enclosure opened when the pressure
exceeded atmospheric, thus relieving the helium to the tunnel. They were however
unable to contain the pressure rise below the nominal 0.15 MPa absolute in the
vacuum enclosures of subsector 23-25, thus resulting in large pressure forces acting
on the vacuum barriers separating neighboring subsectors, which most probably
damaged them. These forces displaced dipoles in the subsectors affected from their
cold internal supports, and knocked the Short Straight Section cryostats housing the
quadrupoles and vacuum barriers from their external support jacks at positions Q23,
Q27 and Q31, in some locations breaking their anchors in the concrete floor of the
tunnel. The displacement of the Short Straight Section cryostats also damaged the
“jumper” connections to the cryogenic distribution line, but without rupture of the
transverse vacuum barriers equipping these jumper connections, so that the insulation
vacuum in the cryogenic line did not degrade.
PECFA – 28 November 2008
7
Q27R3
PECFA – 28 November 2008
7
QQBI.27R3
PECFA – 28 November 2008
7
Experimentelle Methoden: Beschleuniger
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