2.2.2 Speicherringe • Der Speicherring ist ein Sonderfall eines Synchrotrons • Die Teilchen werden in der Regel beschleunigt, und für lange Zeit (Stunden, oder sogar Tage) gespeichert • Wichtigste Anwendung von Speicherringen – Erzeugung von Synchrotronstrahlung – Erzeugung von neuen Teilchen Der grösste Kreisbeschleuniger ist LEP. LEP wurde nach 12 Jahren Betriebszeit vor kurzem abgeschaltet. In den LEP Tunnel mit einer Länge von etwa 27 km wird der supraleitender Protonenbeschleuniger LHC installiert. Schwerpunktsenergie = 200 GeV Elektronen Positronen Schwerpunktsenergie = 14000 GeV Protone n Protone n 1 2 Speicherring (Prinzip) 3 Der Tevatron-Speicherring Speicherung von Protonen und Antiprotonen Strahlenergie: E = 980 GeV Geschwindigkeit: v = 0.999999 ⋅ c Ringlänge: L = 6.28 km Umlaufzeit: T = 20.95 µs Speicherzeit: ∆tsp = 10 bis 20 h 4 Supraleitende Dipolmagnete Tevatron HERA 5 LHC-Dipole 6 Speicherring – Begriff der Luminosität wegen können Teilchen und Anti-Teilchen in der selben Magnetstruktur geführt werden ! Wechselwirkungsrate: L: Luminosität σ: Wirkungsquerschnitt 7 Streuung – Wirkungsquerschnitt Wirkungsquerschnitt σ • Beschreibung von Streuvorgängen • Maß für die Wahrscheinlichkeit der Streuung eines einfallenden Teilchens am Streuzentrum Schema der Streuung eines Teilchens an Streuzentrum einlaufendes Teilchen • anschaulich: effektive Streufläche • Dimension: Fläche • Einheit: cm² für Kernreaktionen: barn (engl. Scheune) 1 Barn = 10-24 cm² Top-Quark-Physik: 1 picobarn = 1 pb = 10-12 barn Streuzentrum 8 Werden in Beschleunigern 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), häufig ohne die Teilchen zu beschleunigen 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 – Die Antiprotonen haben eine kinetische Energie von einigen hundert MeV, und werden für Experimente auf wenige eV abgebremst (CERN – AD) 9 2.2.3 Erzeugung von Sekundärstrahlen Andere Teilchen werden durch Teilchenreaktionen erzeugt. Dazu läßt man hochenergetische Teilchen auf Materie treffen: Ein Primärstrahl trifft auf Materie und erzeugt dabei Sekundär-Teilchen. Mit Hilfe von Magnetfeldern können diese nach Ladung und Masse getrennt werden. Stabile Sekundärteilchen (Anti-Protonen, Positronen) können in Speicherringe geleitet, angereichert und weiter beschleunigt werden. Manchmal sind auch die Zerfallsprodukte interessant; so erhält man z.B. Neutrino-Strahlen Moderne Beschleunigeranlagen liefern eine ganze Reihe von Teilchenarten: Protonen und Antiprotonen, Elektronen und Positronen, Neutronen Pionen und Kaonen, ..., Neutrinos , schwere Ionen bis zum Blei ... 10 Antiprotonen-Produktion Ein Teil der Protonen wird auf 120 GeV beschleunigt und mit einem NickelTarget zur Kollision gebracht. Aus einer Vielzahl produzierter Teilchen werden Antiprotonen isoliert, gesammelt und gekühlt. 11 Elektronkϋhlung des Antiprotonenstrahls Elektronstrahl 25 26 27 28 29 1 2 3 4 20 m 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 20 21 22 23 24 16 17 18 19 Antiprotonstrahl “Kalter” Elektronstrahl kühlt “heißen” Antiprotonstrahl. Prinzip von Gersh Budker, 1966. Am Tevatron zum ersten Mal mit hochenergetischen Protonen realisiert. 12 2.2.4 Anwendungen von Teilchenbeschleunigern • Teilchenphysik (CERN, DESY, SLAC, FERMILAB, …) • Anwendungen von Synchrotronstrahlung (z.B. ESRF, DESY, ….) – Chemie – Biologie – Physik • Kernphysik (S-DALINAC, GSI, ….) • Industrielle Anwendungen • Medizinische Anwendungen (GSI, PSI, …) – Erzeugung von Radioisotopen – Bestrahlung von Patienten • Archäologie • Energietechnik (Kernfusion, Energy Amplifier) 13 Der Fermilab-Beschleuniger-Komplex 14 Beispiele für Anwendungen Ion beams (GSI) Etched ion tracks in polymer foil. Synchrotron Light (ESRF) 5'-exonuclease from bacteriophage T5 Heavy ion fusion Laser beam simulation Proton therapy (PSI) Gantry 15 Krebstherapie mit Neutronen am Fermilab Quelle: Vortrag, Arlene Lennox, Leiterin des Neutorn Therapy Departments am Fermilab und FNAL Visual Media Services Auskopplung von 66 MeV Protonen mit Dipolmagneten (orange) in Richtung Fermilab Behandlungsraum Linearbeschleuniger zum normalen HochenergiephysikBetrieb 16 Neutronproduktion an Beryllium-Target p(66) Be(49) Stöße produzieren Neutronen 17 Isocentric Positioning Device Head is immobilized. Lasers locate tumor. Base rotates 360˚. 18 Vor Neutronentherapie Bladder with contrast material Prostate Tumor 19 Nach 7 Behandlungen mit 12.25 Gy an Neutronen Normal Bladder Tumor is gone. 20 2.2.5 Synchrotronstrahlung Erste Beobachtung von Synchrotronstrahlung 1947 - 70 MeV Synchrotron, General Electric Research Lab Vakuumkammer aus Glas - daher konnte man die Strahlung beobachten 21 Theorie der Synchrotronstrahlung: Larmorgleichung Klassische Strahlung einer beschleunigten Ladung (Larmor) für v<<c: 2 mit e0 : c: ε0: ⎞ ⎛d e0 ⋅ c ⋅ ⎜ p ( t) ⎝ dt ⎠ Ps := 2 2 ( 6 ⋅ π ⋅ ε 0 ⋅ m0 ⋅ c 2 ) Elementarladung Lichtgeschwindigkeit Dielelektrizitätskonstante m0 : Masse v: Geschwindigkeit Die azimuthale Winkelverteilung ist: 2 ⎞ 2 ⎛d e ⋅ c ⋅ p ( t ) ⎜ 0 dPs ⎝ dt ⎠ ⋅ sin 2 ψ = dΩ 2 2 16 ⋅ π ⋅ ε 0 ⋅ m0 ⋅ c 3 identisch mit Hertz'schen Dipol 22 Winkelverteilung der Synchrotronstrahlung Im Ruhesystem des Strahlteilchens. 23 Lorentz - Transformation Mit einer Lorentztransformation dτ = 1 γ ⋅ dt und Einsetzen des Viererimpuls erhält man für die abgestrahlte Leistung: v Dabei ist β := c und γ := 1 1−β ⎛ dPµ ⎞ Der Viererimpuls ist : ⎜ ⎝ dτ ⎠ 2 sowie 2 2 ---> γ := 1 ⎛ dE ⎞ ⎛d ⎞ − ⋅⎜ p ( t ) ⎜ 2 ⎝ dτ ⎠ c ⎝ dτ ⎠ Ee m0 ⋅ c 2 2 2 2 2 ⎡ ⎛d 1 ⎛ dE ⎞ ⎥⎤ ⎞ ⎢ ⋅ ⎜ p ( t) − ⋅ Ps ( t) = 2 ⎢ dτ 2 ⎜⎝ dτ ⎠ ⎥ 2 ⎠ c ⎣⎝ ⎦ 6 ⋅ π ⋅ ε 0 ⋅ me ⋅ c e0 ⋅ c ( ) Ableitung siehe K.Wille 24 Synchrotronstrahlung für longitudinale / transversale Beschleunigung a) Kraft in Richtung der Bewegung (Linearbeschleuniger, Beschleunigungsstrecken in Kreisbeschleunigern) b) Kraft senkrecht zur Bewegung (Magnetfelder, Kreisbeschleuniger, Quadrupole in Linearbeschleunigern) Für Kräfte in Richtung der Bewegung ergibt sich (siehe K.Wille): 2 ⎡ 2⎤ e ⎢ 0 ⋅c dp ⎛ ⎞ ⎥ P s := ⎢ ⋅⎜ 2 ⎝ dt ⎠ ⎥ 2 ⎢ 6 ⋅ π ⋅ ε 0 ⋅ me ⋅ c ⎥ ⎣ ⎦ ( ) Für Kräfte senkrecht zur Bewegungsrichtung ergibt sich mit dτ = 2 2 ⎡ 2⎤⎥ e ⋅ c ⋅ γ ⎢ 0 dp P s := ⎢ ⋅ ⎛⎜ ⎞ ⎥ 2 ⎝ dt ⎠ 2 ⎢ 6⋅π ⋅ε ⋅ m ⋅c ⎥ 0 e ⎣ ⎦ ( 1 γ ⋅ dt : ) 25 Synchrotronstrahlung für Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit Mit dp v = p⋅ω = p⋅ dt ρ Für Geschwindigkeit annähernd der Lichtgeschwindigkeit gilt: E = p ⋅ c Mit γ = E me ⋅ c 2 ergibt sich: 2 Ps = e0 ⋅ c ( 6 ⋅ π ⋅ ε 0 ⋅ me ⋅ c 2 ) 4 ⋅ E ρ 4 2 für andere geladene Teilchen (z.B. Protonen) muss die Masse der Elektronen durch die Masse der beschleunigten Teilchen ersetzt werden. Daher ist die Abstrahlung von Synchrotronstrahlung für schwere Teilchen (fast) zu vernachlässigen. 26 Beispiel für Abstrahlung bei Beschleunigung in Richtung des Impuls Mit der Gleichung dp/dt = dE/ds ergibt sich bei einem elektrischen Feld von 15 MV: dE := 15 ⋅ MeV ds := 1 ⋅ m ⎛ dE ⎞ e0 ⋅ c ⋅ ⎜ ⎝ ds ⎠ 2 Ps := ( 2 ) 2⎤ ⎡ 2 ⎢ 6 ⋅ π ⋅ ε 0 ⋅ me ⋅ c ⎥ ⎣ ⎦ Ps = 3.971 × 10 − 17 W Die abgestrahlte Leistung ist unabhängig von der Energie des Elektrons. 27 Winkelverteilung der Synchrotronstrahlung Bilder aus K.Wille, Physik der Teilchenbeschleuniger 28 Vergleich LEP und LHC Vergleich LEP und LHC ρ := 3000m Elep := 100GeV Elhc := 7000GeV Leistung für LEP (1 Elektron): Leistung für LHC (1 Proton): 2 Plep := e0 ⋅ c 2 6 ⋅ π ⋅ ε0 ⋅ ⎛⎝ me ⋅ c ⎞⎠ Plep = 7.509 × 10 γlep := Elep me ⋅ c 2 −6 4 ⋅ Elep ρ 4 2 Plhc := 2 e0 ⋅ c 2 6 ⋅ π ⋅ ε0 ⋅ ⎛⎝ mp ⋅ c ⎞⎠ Plhc = 1.586 × 10 W 4 γ 2 lep Ulep := e0 ⋅ 3 ⋅ ε0 ⋅ ρ γlhc := Elhc mp ⋅ c 2 − 11 4 ⋅ Elhc ρ 4 2 W 4 γ 2 lhc Ulhc := e0 ⋅ 3 ⋅ ε0 ⋅ ρ 29 Energieverlust eines Elektrons pro Umlauf: 9 3 Ulep = 2.947 × 10 eV Ulhc = 6.226 × 10 eV Gesamtleistung der Synchrotronstrahlung: Anzahl der Elektronen in LEP: Nlep := 10 12 Anzahl der Protonen im LHC Nlhc := 10 Ptotal_lep := Nlep ⋅ Plep 6 Ptotal_lep = 7.509 × 10 W 14 Ptotal_lhc := Nlhc⋅ Plhc 3 Ptotal_lhc = 1.586 × 10 W Die Leistung der im LHC abgestrahlten Synchrotronstrahlung ist klein im Vergleich LEP .... aber die Strahlung fällt in supraleitende Magnete bei 1.9 K ... 20 K 30 2.2.6 Lineare Strahloptik Literatur: K. Wille, Physik der Teilchenbeschleuniger und Synchrotronstrahlungsquellen, Unterkapitel 3.1 bis 3.13 31 Koordinatensystem Ein einzelnes Teilchen wird mit den Koordinaten und dem Impuls beschrieben. Ausserdem muss noch die Ladung und die Masse bekannt sein. Für einige (wenige) Anwendungen muss ausserdem der Spinzustand berücksichtigt werden. Für die Teilchen in einem Beschleuniger ist es unhandlich, ein Koordinatensystem mit festen Koordinaten zu wählen. Daher wird das Teilchen in Bezug auf ein Sollteilchen beschrieben. Das Sollteilchen bewegt sich mit Sollimpuls auf der Sollbahn, Idealbahn oder Orbit. 32 Beschleunigerkoordinaten (Ringbeschleuniger) z Sollbahn R Teilchenbahn s x x' = z dz dx und z ' = ds ds dp = p − p 0 33 Geometrische „Fokussierung“ … … im homogenen Dipolfeld z s B v B Teilchen B Teilchen A Sollbahn F x Mitbewegtes Koodinatensystem Zwei Teilchen, die mit gleicher Energie und leicht unterschiedlichem Anfangswinkel starten, treffen sich nach jedem halben Umlauf. 34 Geometrische - Schwache - Fokussierung Annahme: der Winkel zwischen beiden Teilchen beträgt α = 1 mrad. Der maximale Abstand zur Sollbahn ist: xmax = α ⋅ R xmax Bei einem Radius von 1 m wäre dieser Abstand xmax = 1 mm Bei einem Radius von 1000 m wäre dieser Abstand xmax = 1 m Die schwache Fokussierung gilt nur in der Ebene senkrecht zum Magnetfeld. In der anderen Ebene laufen zwei Teilchen mit unterschiedlichen Anfangswinkel kontinuierlich auseinander. Es wird eine fokussierende Kraft benötigt. 35 Bewegung eines geladenen Teilchens im Magnetfeld r B = (B x ( x, z , s ), 0, B z ( x, z , s )) Bewegung in der horizontalen Ebene : Lorentzkra ft für ein einfach geladenes Teilchen mit : Fx = − e 0 ⋅ v ⋅ B z Zentrifuga lkraft : F f = m ⋅ v 2 / R Aus dem Gleichgewicht der Kräfte ergibt sich mit p = m ⋅ v : e0 1 = ⋅ B z ( x, z , s ) R x ( x, z , s ) p Bewegung in der vertikalen Ebene : e 1 = − 0 ⋅ B x ( x, z , s ) R z ( x, z , s ) p 36 Multipolentwicklung transversale Strahldimensionen << Biegeradius ⇒ Es ist sinnvoll, das Magnetfeld um die Sollbahn zu entwickeln. B z ( x) = B z 0 d 3B z d 2B z dB z 2 3 x + ⋅x + ⋅ + ⋅ + ... x 2 3 2 ! ⋅ dx 3 ! ⋅ dx dx e0 und mit multiplizi ert. p Es ergibt sich damit : e0 e0 e 0 dB z e0 d 2B z e 0 d 3B z 3 2 ⋅ B z ( x) = ⋅ B z0 + ⋅ ⋅x + ⋅ ⋅ x + ⋅ ⋅ x + ... 3 2 p p p dx p 2 ! ⋅ dx p 3 ! ⋅ dx = 1 R Dipol + k⋅ x+ Quadrupol 1 ⋅ m ⋅ x2 + 2! Sextupol 1 ⋅ o ⋅ x 3 + ... 3! Oktupol 37 Bauformen von Magneten Dipol 38 Quadrupol Sextupol 39 Bsp.: Rechteckmodel für einen Quadrupolmagnet z Quadrupolmagnet mit k = k0 innerhalb des Magneten, und k = 0 ausserhalb s k(s k) e0 dB z ( s ) k (s) = ⋅ p dx 0 0 s 40 Differentialgleichung für Teilchenbahn im mitbewegten System Abgeleitet aus Lorentzkraft: r r r r F = q ⋅ (E + v × B) z s B Vereinfachende Annahmen: Magnetfeld nur transversal Multipolentwicklug des Magnetfeldes Dipolfelder nur mit horizontaler Wirkung Teilchen bewegen sich im Wesentlichen in Richtung s d/dt → d/ds Impuls nahezu fest, p=p0+∆p, ∆p klein (<1%) v F x ==> lineare Bewegungsgleichungen beim Durchlaufen der Magnetstruktur eines Beschleunigers Ableitung siehe K.Wille, S.54-58 41 Generelle Differentialgleichung für die Teilchenbewegung ⎤ ⎡ 1 1 ∆p ⋅ x' ' (s) + ⎢ 2 − k ( s )⎥ ⋅ x( s) = ρ (s) p ⎦ ⎣ ρ (s) z''(s) + k(s) z(s) = 0 in vertikaler Richtung ρ ( s ) ist der Krümmungsr adius des Ablenkfeld es ∆p ist die Abweichung des Impulses vom Sollimpuls p p k(s) ist die Quadrupols tärke 42 Teilchenbewegung im Quadrupol e0 dB z ( s ) x' ' (s) − k ( s ) ⋅ x ( s ) = 0 mit k ( s ) = ⋅ p dx Defokussie render Quadrupol mit konstantem k : k > 0 Fokussiere nder Quadrupol mit konstantem k : k < 0 x(s) = A⋅ cosh( k ⋅ s) + B ⋅ sinh( k ⋅ s) Für k > 0 x' (s) = k ⋅ A⋅ sinh( k ⋅ s) + k ⋅ B ⋅ cosh( k ⋅ s) x(s) = A⋅ cos( k ⋅ s) + B ⋅ sin( k ⋅ s) Für k < 0 x' (s) = − k ⋅ A⋅ sin( k ⋅ s) + k ⋅ B ⋅ cos( k ⋅ s) 43 Definition der Multipolstärken Dipolfeld zur Strahlablenkung Quadrupolfeld zur Fokussierung Sextupol zur Kompensation der Chromatizität e 1 = 0 ⋅ B z0 R p k = e0 dB z ⋅ p dx e0 d 2 B z ⋅ m = p dx 2 Oktupol zur Korrektur von Feldfehler n, und zur lineare Strahloptik Korrekturen höherer Ordnung e0 d 3 B z Unterdr ückung von Strahlinst abilitäten : o = ⋅ p dx 3 44 Magnettypen z S z N x x Feldlinien für Dipolmagnetfeld N S Feldlinien für Quadrupolmagnetfeld Wirkt horizontal fokussierend, vertiakal defokussierend für e+ in Bildebene hinein Dipolmagnet – konstantes Feld in Apertur Quadrupolmagnet – Feld im Zentrum Null, linear ansteigend (entspricht einer Konvex- bzw. Konkav-Linse in Lichtoptik) Sextupolmagnet - Feld im Zentrum Null, quadratisch ansteigend 45 Teilchenbewegung im Ablenkmagneten x' ' (s) − k ( s ) ⋅ x( s ) = 0 x' ' (s) + 1 ⋅ x( s ) = 0 2 ρ (s) Es entspricht : - k(s) => 1 ρ 2 (s) Fokussierender Quadrupol mit der Stärke k Ablenkmagnet mit dem Ablenkradius ρ Lösung für Ablenkmagnet ähnelt Lösung für Quadrupole 46 Teilchenablenkung in einem Quadrupolmagnet Bz ( x) = const⋅ x Annahme: Teilchen mit positiver Ladung läuft in sRichtung in die Tafelebene hinein Bx ( z) = const⋅ z z z Sicht entlang der Teilchenbahn x x s Sicht von oben defokussiere nd x z Sicht von der Seite fokussierend s 47 Fokussierung eines Linsensystems in einer Ebene d f1 f2 F The focal length of a two lense system is: 1 d 1 1 = + − F f1 f2 f1 ⋅ f2 48 Transformationsmatrizen L f s0 s1 s2 s s0 … beim Eintritt in die dünne Linse s1 … beim Austritt aus der dünnen Linse s2 … nach einer Strecke L Annahme: Ein Teilchen hat die Koordinaten: Position x0 und Winkel x0’ Wie in der Lichtoptik, lässt sich die Teilchenbahn mit Transformationsmatrizen berechnen ⎛x ⎞ ⎛ x1 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ = M • ⎜⎜ 0 ⎟⎟ ⎝ x'1 ⎠ ⎝ x '0 ⎠ 49 Transformationsmatrix für eine dünne Linse f s0 s1 s x1 = a ⋅ x 0 + b ⋅ x '0 ⎛ x1 ⎞ ⎛ a b ⎞ ⎛ x0 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎟⎟ • ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ x'1 ⎠ ⎝ c d ⎠ ⎝ x'0 ⎠ ⎛ x ⎞ ⎛ x1 ⎞ ⎜ 0 ⎟ ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎜ x0 ⎟ ⎝ x'1 ⎠ ⎜ − f ⎟ ⎝ ⎠ x '1 = c ⋅ x 0 + d ⋅ x '0 x1 = x0 1 x'1 = − ⋅ x0 + x'0 f ⎛ 1 M = ⎜⎜ ⎝ −1/ f 0⎞ ⎟⎟ 1⎠ 50 Transformationsmatrix für die „Driftstrecke“ f L s1 s s2 ⎛ x2 ⎞ ⎛ a b ⎞ ⎛ x1 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎟⎟ • ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ x'2 ⎠ ⎝ c d ⎠ ⎝ x'1 ⎠ ⎛ x2 ⎞ ⎛ x1 + L ⋅ x'1 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ x'2 ⎠ ⎝ x'1 ⎠ x2 = x1 + L ⋅ x'1 x'2 = x'1 ⎛1 L⎞ ⎟⎟ M = ⎜⎜ ⎝0 1 ⎠ 51 Fokussierung eines Linsensystems in beiden Ebenen Horizontale Ebene f1 := 100m f2 := −100m d := 50m d = 50 m d ⎞ 1 ⎛1 − F := ⎜ + ⎝ f1 f2 f1 ⋅ f2 ⎠ −1 F = 200 m Vertikale Ebene 52 Teilchentransport durch eine komplexe Struktur: « F0D0 Zelle » QF Dipol QD Dipol QF F0D0 Zelle lq=0.20 m lD=2.60 m MQF lq=0.20 m lq=0.40 m MD lD=2.60 m MQD MQD MD MQF 53 Annahme: Bewegung in der vertikalen Ebene QF Dipol QD Dipol QF F0D0 Zelle k(s) s 54