Teilchenbeschleuniger
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Teilchenbeschleuniger Vortrag von Kai Schatto 07.11.2006 Seminar Kernphysik Universität Mainz Inhalt Einleitung Motivation Geschichte Beschleunigertypen Zusammenfassung Warum beschleunigen? - Aufbau der Materie - Erzeugung neuer Materie Aufbau der Materie Erforschung der Materie, ihrer Grundbausteine und der zwischen ihnen wirkenden Kräfte ist ein elementares Anliegen in der Physik. Zu untersuchende Strukturen kleiner als cm Sichtbares Licht unbrauchbar hochenergetische Photonen bzw. Teilchenstrahlen Wellenlänge muss kleiner als zu Untersuchende Struktur sein De Broglie Wellenlänge Erzeugung neuer Materie Die nötige Energie folgt aus: z.B. Erzeugung von Elektronen und Positronen durch hochenergetische γ-Strahlen. Doppelte Ruheenergie nötig, da Teilchenpaare entstehen Erzeugung neuer Materie Beispiel: - Erzeugung von Elektronen und Positronen durch hochenergetische γ-Strahlen. - Aufzuwendende Energie ist gleich oder größer. mit Inhalt Einleitung Motivation Geschichte Beschleunigertypen Zusammenfassung Geschichte und Entwicklung H. Greinacher 1921 Entwicklung des Kaskadengenerators zur Erzeugung hoher Spannungen G. Ising 1924 Vorschlag eines Linearbeschleunigers mit Driftröhren, bei dem die Teilchen durch eine hochfrequente Wechselspannung beschleunigt werden. 1928 Bau des ersten Linearbeschleunigers und Beschleunigung von Na+ - und K+ - Ionen mit einer Hochfrequenzspannung von 25 kV auf eine Endenergie von 50 keV. Versuche zur Entwicklung eines Betatrons scheitern zunächst Rolf Wideröe Geschichte und Entwicklung 1930 Bau des ersten MVHochspannungsgenerators mit einer Spannung von bis zu 1,5 MV 1932 Bau des ersten elektrostatischen Beschleunigers unter Verwendung eines 800-kVKaskadengenerators. Spannungsfestigkeit der Anlage: 700 kV. Erste Kernreaktion mit 400 keV Protonen. Robert Jemison van de Graaff Sir John Douglas Cockcroft Ernest Thomas Sinton Walton Geschichte und Entwicklung 1932 Die Idee für das Zyklotron hatte Lawrence bereits 1930. 1932 gelang ihm in Zusammenarbeit mit M.S Livingston die Beschleunigung von Protonen in einem Zyklotron auf eine Endenergie von 1,25 MeV. Ernest O. Lawrence G. Thomas 1938 Vorschlag des Prinzips der starken Fokussierung für das Zyklotron. E. O. Lawrence 1939 Inbetriebnahme des ersten größeren Zyklotrons. Protonen werden auf 9 MeV, Deuteronen auf 19 MeV und Alphateilchen auf 35 MeV beschleunigt. Geschichte und Entwicklung Donald W. Kerst 1941 Serber, R. 1945 Edwin Mattison McMillan Erste erfolgreiche Beschleunigung von Elektronen in einem Betatron mit einer Endenergie von 2,5 MeV. I.V Veksler (UdSSR) und E.M McMillan (USA) entwickeln getrennt voneinander das Prinzip des Synchrotrons Geschichte und Entwicklung Goward, F.K Barnes, D.E Luis Walter Alvarez 1946 Bau des ersten Elektronensynchrotrons unter Verwendung eines Betatronmagneten. 1946 Entwurf des ersten 200-MHz-Linearbeschleunigers für Protonen in Berkeley Geschichte und Entwicklung Ginzton, E.L 1947 Beschleunigung von Elektronen mit dem ersten 2,855-GHzLinearbeschleuniger bis zu einer Energie von 4,5 MeV Oliphant, M.L 1947 1947 Vorschlag eines Synchrotrons für Protonen. Inbetriebnahme 1953 1952 Veröffentlichung zur starken Fokussierung d.h. zur Fokussierung mit alternierendem Gradienten Gooden, M.L Hyde, G.S Courant, E. Snyder, H. Livingston, M.S Geschichte und Entwicklung Paul, W. 1953 Entwicklung des Paulschen HFMassenfilters. Baubeginn des ersten europäischen Synchrotrons mit starker Fokussierung (Bonn). Inbetriebnahme 1958 CERN 1954 Gründung des europäischen Kernforschungszentrums CERN in Genf. (Conseil Européen de Recherche Nucléaire) Inhalt Einleitung Beschleunigertypen Gleichspannungsbeschleuniger Linearbeschleuniger Zirkularbeschleuniger Zusammenfassung Grundlagen Beeinflussung geladener Teilchen möglich über elektrische und magnetische Felder: Energiegewinn: Nur E-Feld trägt zur Energie bei Grundlagen Prinzip eines Gleichspannungsbeschleunigers Grundlagen Für einen Gleichspannungsbeschleuniger benötigt: Hohe Spannungen ! Beispiel Braunsche Röhre Cockcroft – Walton - Beschleuniger Erzeugung hoher Gleichspannung mittels Cockcroft-Walton-Generator Kaskadierte Greinacher Schaltung Funktionsweise C-W-Generator + rot - blau Erzielbare Spannungen: 400 - 800 kV Van de Graaff Generator umlaufendes Gummiband, trägt positive Ladung, die durch Reibung oder Aufsprühen aus einer externen Spannungsquelle entsteht, in die große Kugel Erzielbare Spannungen: 10 MV Tandembeschleuniger - Zweimalige Nutzung der Beschleunigungsspannung durch Umladen der Teilchen - Negative Ionen werden beschleunigt, und nach Passieren des Strippers als positive Teilchen weiter beschleunigt. -Vorteile: - höhere erreichbare Ionenenergie bei gegebener Beschleunigungsspannung - Anordnung beider "Enden", Ionenquelle und Target, auf Erdpotential und nicht im Hochspannungsterminal Problem bei Gleichspannungsbeschleunigern: Begrenzung durch Koronaentladung 10kV/cm Inhalt Einleitung Beschleunigertypen Gleichspannungsbeschleuniger Linearbeschleuniger Zirkularbeschleuniger Zusammenfassung LINAC Struktur LINAC Energie nach i Beschl.-Phasen: Abstand zwischen Spalt i und i+1: Länge der Driftröhre i: Der größte Linearbeschleuniger ist der 3 km lange Beschleuniger (SLAC) von Stanford (Kalifornien) Fokussierung in Strahlrichtung Durch leichte Spannungsschwankungen stimmt die Geschwindigkeit der Teilchen nicht mehr mit den vorgegebenen Driftlängen überein Lösung: Beschleunigung an der ansteigenden Spannungsflanke Erreichte Energie: ca. 50 GeV Inhalt Einleitung Beschleunigertypen Gleichspannungsbeschleuniger Linearbeschleuniger Zirkularbeschleuniger Zusammenfassung Das Zyklotron - Beschleunigung durch das el. Feld zwischen den Dees - Halbkreis durch Magnetfeld (Lorentzkraft) in den Dees Umlaufdauer bei Annahme einer Kreisbahn Das Zyklotron Durch rel. Massenzunahme sinkt die Kreisfrequenz! 1. Lösung: Anpassen des B-Feldes benötigtes B-Feld: mit v=ωr 2. Lösung: Anpassen der Hochfrequenz Synchrozyklotron Anwendungsgebiete - Auslösung von Kernreaktionen in der physikalischen Forschung - Herstellung von Radionuklide für medizinische Zwecke, z.B. Positronenemissions-Tomographie (PET) (kurze Halbwertszeiten) - Protonen- und Ionenstrahlen in der Tumortherapie eingesetzt. - Energien ca. 22 MeV pro Elementarladung Das Betatron Basiert auf dem Induktionsgesetz Beschleunigung von Elektronen durch „ringförmiges“ E-Feld erzeugt durch magnetische Flußänderung Das Betatron Typische Energien ca. 20MeV Anwendungsgebiete - Strahlentherapie - Durchstrahlungsprüfung Verdrängt durch die besser regelbaren Linearbeschleuniger Das Synchrotron Bei konstantem Magnetfeld wächst der Radius mit der Energie: Führt zu sehr großen Magnetdimensionen Lösung: - ortsfeste Bahn - B-Feld wird synchron zur Energie erhöht Das Synchrotron Näherungsweise erreichbare Energie Für Elektronen ca. 10 GeV durch Synchrotronstrahlung LHC am CERN - Energien von 1150 TeV bei Schwerionen und 7 TeV bei Protonen - Bedingungen wie 10^(-13) bis 10^(-14) Sekunden nach dem Urknall Zusammenfassung Gleichspannungsbeschleuniger: - benötigt hohe Spannungen - Problem: Koronaentladungen Wechselspannungsbeschleuniger: - LINAC - Problem: große Länge nötig für hohe Energien Zirkularbeschleuniger - Mehrmaliges Durchlaufen der Beschleunigungsstrecke - Problem bei Betatron und Zyklotron: große Magnete Synchrotron, Speichering - Ortsfeste Bahn Anwendung Anwendung von Teilchenbeschleunigern in - Chemie: Massenspektrometer - Physik: Kernphysik, Teilchenphysik, Kosmologie, Synchrotronstrahlung - Medizin: Strahlentherapie - Materialuntersuchung: Durchstrahlungsprüfung
