Kapitel 10 Elektronensynchrotron
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Kapitel 10 Elektronensynchrotron Hyogo, Japan Wolfgang Paul und Mitarbeiter Physikalisches Institut der Rheinischen Friedrich-WilhelmUniversität Bonn 17. März 1958: Wolfgang Paul et al. nach vierjähriger Bauzeit Æ Elektronen im Synchrotron erstmals auf 150 MeV wenige Wochen später Æ 450 MeV Betrieb bis 22. September 1984 Stiftung des Physikalischen Instituts der Universität Bonn; Inventar-Nr.: 1995-51.000 Gesamtgewicht des Rings: 30 t Durchmesser: 6m Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB Aufbau Synchrotron Vakuumkammer k a V D e fl kto r I e jn kto r a M Deflektor ka m u r e m G e F R to ra e n a K F R zitä a p g t e n RF Generator Magnete Injektor Kapitel 10: Elektronensynchrotron RF Kapazität KP/MB Beim Betatron ist die maximal erreichbare Energie durch den minimalen Energiegewinn pro Umlauf limitiert. (Zusammenhang Führungsfeld – Beschleunigungsfeld) Ein Versuch, dies zu umgehen, war die Verwendung einer Resonanzkavität zur Beschleunigung. Æ beim Elektronen-Synchrotron verwirklicht Die Frequenz der umlaufenden Elektronen lautet: ω 1 v c 47,8 f = = ⋅ ≅ = MHz 2π 2π r0 2 πr0 r0 Radius r0 Kapitel 10: Elektronensynchrotron in Metern = konstant bei Synchrotron! KP/MB Die Bedingung für Synchronisation setzt voraus, dass die elektrische Frequenz den gleichen konstanten Wert hat. Synchronisation ist gegeben, wenn die Beziehung zwischen der Kreisfrequenz, dem Magnetfeld und der Energie erfüllt ist: qB qBc 2 2 2 ωs = m = Es Es = m0 c γ = m( γ )c Index s „synchronisierte Teilchen“, E = Gesamtenergie Mit der Beschleunigung nimmt die synchrone Energie zu und das Magnetfeld ebenfalls Theorie für das Synchro-Zyklotron auch für das Elektronen-Synchrotron gültig wobei beim Elektronen-Synchrotron die Strahlenemission der beschleunigten Teilchen zu berücksichtigen ist Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB 10.1 Strahlenemission in einem Elektronen-Synchrotron Energie, die pro Umlauf von einem Elektron emittiert wird 4 2 2 4 q ΔEr = π 3 r 4 ⎛ E ⎞ 4 q 4 −14 E ⎜⎜ ⎟ = π γ = 8,9 × 10 2 ⎟ 3 r r ⎝ m0 c ⎠ Energie in MeV; Radius in Meter zwei Synchrotrone Endenergie 1. T f = 500 MeV und Endenergie 2. T f = 1,5GeV Æ kinetische Energie in beiden Fällen wesentlich größer als die Ruheenergie (0,5 MeV) Vereinfachung: W ≅ T ≅ qBrc Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB Annahme: Feldstärke von 12 kG ÆRadien von 1,39 m im ersten Fall und 4,17 m im zweiten Fall. Der Energieverlust pro Umlauf beträgt dann bei Maximalenergie 4 keV bzw. 107 keV für die Synchrotrone.→ Energieverlust muss ersetzt werden Interessant ist auch das Verhältnis der Energien, die durch Strahlungsemission verloren gehen, und der kinetischen Energie, die im Strahl gespeichert ist: 3 Erad T f ε= ∝ 2 Tf r ε ... Efficiency (für Strahlungsquellen) Er ... abgestrahlte Energie pro Umlauf Tf … Endenergie Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB Synchrotronstrahlung Elektronensynchrotron als Synchrotronstrahlungsquelle Design für minimale Effizienz Maximierung der „Verluste“ in Form von Synchrotronstrahlung. Einbau spezieller Ablenkmagnete mit wechselnder Feldrichtung zur Erzeugung der Strahlung (Wiggler, Undulator) Elektronensynchrotron für Teilchenphysik Minimierung der Verluste in Form von Synchrotronstrahlung CERN Large Electron Positron Collider (LEP): limitiert in Maximalernergie durch Abstrahlung: 100 GeV Strahlenergie, Abstrahlleistung 40 MW musste durch RF System ersetzt werden. Bei Umlauffrequenz ~10 kHz: 4 kW Verlust pro Umlauf Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB 2,3 ´GeV 1019 1,5 GeV Intensitä t, Photonen pro s Spektrum der Strahlung des 2,5 GeV Elektronensynchrotrons in Bonn Kapitel 10: Elektronensynchrotron 1020 18 10 1 GeV 1017 0,7 GeV 0,45 GeV R=1,7m 1016 0,45 GeV 15 10 1014 0,1 100 10 1 Wellenlänge λ, ' 1000 Sichtbares Licht bis harte Röntgenstrahlung KP/MB Deutsches Elektronen Synchrotron DESY (Hamburg, Status 1973/74) Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB DESY 2003 Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB 10.2 Ablenkungs- und Fokussierungsmagnete 4 wichtigsten Magnettypen und deren Aufgaben: Dipolmagnete zur Veränderung der Bahnrichtung eines Teilchenstrahls Quadrupol- und Sextupolmagnete zur Fokussierung des Strahlbündels Kickermagnete, um Teilchenpakete in und aus dem Beschleunigungssystem zu lenken (wie Dipole) Wiggler-Magnete zu Erzeugung von Synchrotronstrahlung Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB 10.2.1 Dipolmagnete Um beschleunigte Teichen auf einer Sollbahn kreisen zu lassen Æ Dipolmagnete, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung Lorentzkraft, (senkrecht zur Bewegungsund Magnetfeldrichtung) Die Lorentzkraft ist abhängig von der Ladung des Teilchens und vom Magnetfeld. Dipolmagnete aus Eisenjoch (H- oder Cförmig), mit Spulen betrieben. Zwischen den parallelen Polplatten bildet sich ein homogenes Magnetfeld aus. Hier befindet sich die Vakuumröhre, in der sich die Teilchen bewegen. Kapitel 10: Elektronensynchrotron H - Typ C - Typ KP/MB Dipol – hält Strahl auf der Umlaufbahn Homogenes vertikales Magnetfeld Teilchen werden durch Dipolmagnetfeld B auf Kreisbahn gehalten: Lorentzkraft F = q⋅(v×B) hält der Zentrifugalkraft die Waage. Radiale Richtung: F = q⋅(v⋅B) = m⋅γ⋅v2/r ⇔ q⋅(B⋅r) = m⋅γ⋅v = mγβ⋅c = p (relativistischer Impuls) Magnetfeld muss bei Beschleunigung proportional zum Impuls steigen Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB Dipol – Feldberechnung Maxwell: ∇ × H = j Integralform J ∫ Hds = ∫ jdS C S Integration entlang geschlossenen Flußlinie B mit HEisen ∫ Hds ≈ HSpalt ⋅ hSpalt C ∫ jdS = I0 S I0 = B 0h μ0 B0 B0 H = = << Spalt μ0 μr μ 0 mit μr(Eisen)~1000, rel. Permeabilität und μ0=4π10-7 Vs/Am Für B = 1T und Spalt 5 cm benötigt man I0 = 40000A. Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB 10.2.2 Quadrupolmagnete Quadrupolmagnete: vier Eisenkernen, symmetrisch angeordnet Polform = Hyperbel (xz=konst.) Jeder Pol von Spule umgeben Magnetfeld steigt linear mit konstantem Gradienten G an, Bx(x,z) = G⋅z, Bz(x,z) = G⋅x Im idealen Orbit kein Feld Rücktreibende Kraft prop. Auslenkung: Fx=±G⋅x, -Fz=±G⋅z Horizontale und vertikale Bewegungen entkoppelt Eisenjoch Kapitel 10: Elektronensynchrotron Spule N S S N Vakuumkammer Sollbahn KP/MB Fokussierende und defokussierende Wirkung eines Quadrupolmagneten defokussierend Auf Grund des Feldlinienverlaufs wirken Quadrupolmagnete in einer Richtung fokussierend und in der dazu senkrechten Richtung defokussierend Kapitel 10: Elektronensynchrotron fokussierend KP/MB Frage: Wie bündelt man Teilchen in einem engen Strahl? Antwort: besondere Magnetpolanordnung: meist zwei Quadrupolmagnete hintereinander angebracht, aber um 90° zueinander verdreht Analogon: fokussierende Linsen optischer Systeme tatsächliche Teilchenbahn ideale Teilchenbahn Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB 10.2.3 Sextupolmagnet Der Quadrupolmagnet fokussiert die Teilchen, so dass sie im idealen Orbit fliegen. Sextupolmagnet fokussiert Teilchen, die auf Grund ihrer unterschiedlichen Impulse durch den Quadrupolmagneten in Flugrichtung defokussiert wurden Sextupolmagnet zusätzliche Impulsfokussierung Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB 10.2.4 Kickermagnet Kickermagnete sind spezielle Dipolmagnete. Schaltzeiten: ca. 10-7 Sekunden = Problematik !!! Kickermagnete nicht mit Eisenkernen, sondern mit Ferritkernen ausgestattet. In Ferrit entstehen bei der Magnetisierung keine Wirbelströme die die "Aufbauzeit des Feldes" verlängern würden (rotE=-dB/dt, E treibt Strom der Feldänderung entgegenwirkt). Man verwendet in der Regel nur wenige Spulenwindungen um die Induktivität klein zu halten und arbeitet mit hohen Strömen Gesamtsystem ähnlich einem LC-Kreis mit sehr hoher Frequenz, L...Magnet, C...Stromversorgung: ωLC = Kapitel 10: Elektronensynchrotron τ LC 2π π 1 ⇔ t(0→ I max ) = = = LC 4 4ω 2 LC KP/MB Kickermagnet Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB 10.2.5 Wiggler-Magnet zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung mehrere kurze Ablenkmagneten wechselnder Polarität Die einzelnen Strahlablenkungen sind dabei sehr klein, die entstehende Strahlung summiert sich aber zu hoher Intensität. Diese Synchrotronstrahlung ist scharf in Vorwärtsrichtung gebündelt. kurze Ablenkmagnete Elektronenstrahl Kapitel 10: Elektronensynchrotron Synchrotronenstrahlung KP/MB 10.3 Vakuum Um Stöße der beschleunigten Teilchenpakete mit Luftmolekülen zu vermeiden, wird die Strahlrohr (Vakuumkammer) evakuiert Größenordnung von 10-8 bis 10-12 mbar definieren das hohe = gute Vakuum Anzahl der noch vorhandenen Gasmoleküle etwa 100.000 pro cm³ (verglichen mit 2,7 x 1016 pro cm³ bei normalem Luftdruck) Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB ‚Stärke‘ eines Vakuums Grobvakuum: Atmosphärdruck - 1 mbar Feinvakuum: 1 mbar - 10-3 mbar Hochvakuum: 10-3 mbar - 10-8 mbar Ultrahochvakuum: 10-8 mbar - 10-12 mbar Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB 10.3.1 Erzeugung des Vakuums extrem hohen technischen Aufwand speziellen Schweiß- Löt- und Dichttechniken vor allem spezielle Verfahren zur Reinigung der Oberflächen Vakuumkammern müssen chemisch gereinigt werden, da sich Verunreinigungen in Oberflächen der Kammern nur sehr langsam im Vakuum lösen danach Kammern unter Vakuum auf bis zu 300°C aufgeheizt, damit in der Oberfläche gebundene Moleküle gelöst werden und abgesaugt werden können. Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB Im Kreisbeschleuniger Æ häufig lokale Temperaturunterschiede z.B. wegen Synchrotronstrahlung gebundene Moleküle können sich von der Kammeroberfläche lösen und das Vakuum verschlechtern an solchen Stellen wassergekühlte Absorber angebracht, die die Synchrotronstrahlung absorbieren und den Temperaturunterschied ausgleichen Erzeugung von Vakuum Æ mehrere Arbeitsschritten d.h. durch Hintereinanderschaltung unterschiedlicher Pumpen (vor dem Start des Beschleunigerbetriebs). konventionelle Rotationspumpen Turbomolekularpumpen Ionengetterpumpen Die Ionengetterpumpen sind über das ganze Beschleunigungssystem verteilt und arbeiten andauernd, um das erzeugte Vakuum aufrechtzuerhalten. Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB Das Vakuum " Ein langer Kampf ums ‚Nichts‘ " Vielzahl von konstruktiv unterschiedlichen Pumpentypen, die gegeneinander aufgrund unterschiedlicher Entgasungsprinzipien Dampf- oder Wasserstrahlpumpe: Ein mit hoher Geschwindigkeit aus einer Düse ausströmender Dampf- oder Wasserstrahl reißt die Gasmoleküle mit. Endvakuum von etwa 20 mbar Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB Drehschieberpumpe Bei einer Drehschieberpumpe wird die periodische Veränderung des Schöpfraumvolumens durch einen sich im Innern eines zylindrischen Gehäuses drehenden, exzentrisch mit Schiebern versehenen Kolben, erreicht. Æ Drücke bis 10-4 mbar (Vorvakuum) Zylindrischen Gehäuse, in dem sich ein exzentrisch gelagerter, geschlitzter Rotor dreht. Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB Der Rotor enthält meist durch Fliehkraft, aber auch durch Federn auseinandergedrückte Schieber, die an der Gehäusewand entlanggleiten und dabei die an der Saugöffnung eingedrungene Luft vor sich herschieben, um sie schließlich durch das ölüberlagerte Auspuffventil aus der Pumpe auszustoßen. Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB Diffusionspumpe Die Diffusionspumpen bestehen im wesentlichen aus einem Pumpenkörper mitgekühlter Wand und einem mehrstufigen Düsensystem. Das als Treibmittel dienende Öl bzw. Quecksilber befindet sich in einem Siedegefäß und wird hier durch elektrische Leitung verdampft. Der Treibmittelstrahl strömt durch die Steigrohre und tritt mit Überschallgeschwindigkeit aus einem ringförmigen Düsensystem aus. Der Strahl verbreitert sich schirmförmig zur Wand hin, wo er kondensiert und als Film wieder in den Siederaum zurückläuft. Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB Öldiffusionspumpe Das abzupumpende Gas dringt durch Diffusion in den Dampfstrahl ein. Der Treibmittelstrahl überträgt dann durch Stöße Impulse auf die Gasteilchen in Richtung Vorvakuumanschluss der Pumpe. Über den Vorvakuumanschluss wird das Gas über ein- oder mehrere mechanische Pumpen abgesaugt. Æ Vakuum bis 10-7 mbar Vorteile: sehr großes Saugvermögen nicht sehr fehleranfällig (keine beweglichen Bauteile) Nachteile: Treibmittelstrahl kondensiert nicht vollständig und kann so zu einem geringen Teil in den Rezipienten gelangen. Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB Turbomolekularpumpe Prinzip: die einzelnen abzupumpenden Gasteilchen können durch Zusammenstöße mit schnellbewegten Flächen eines Rotors einen Impuls in Förderrichtung erhalten. Stator und einem Rotor (mit Schaufeln bestückt) Jedes Schaufelringpaar bildet eine Stufe, sodass die gesamte Pumpe aus einer Vielzahl hintereinander geschalteter Stufen besteht. Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB Das abzupumpende Gas gelangt durch die Öffnung des Ansaugflansches direkt in die obersten Saugstufen, die mit langen Schaufeln ausgerüstet sind, um so eine möglichst große aktive Fläche zu bilden. Das in diesen Stufen eingefangene Gas wird in den etwas weiter unten liegenden mit kürzeren Schaufeln versehenen Kompressionsstufen auf den Vorvakuumdruck verdichtet. Das Saugvermögen der Turbomolekularpumpe ist über den gesamten Druckarbeitsbereich konstant. Es nimmt bei Ansaugdrücken, die höher sind als 10-2 mbar ab, da in diesem Druckbereich die Pumpe nicht mehr im molekularen, sondern im viskosen Strömungsbereich arbeitet. Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB Die Kompression der Turbomolekularpumpe ist für schwere Moleküle besonders hoch, für leichte Moleküle dagegen erheblich niedriger. Restgas besteht zu 80 - 90% aus H2. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die H2-Moleküle aufgrund ihrer geringen Masse wesentlich höhere Geschwindigkeiten aufweisen als schwerere Moleküle. besonders leichte Molekülen besitzen selbst im Ultrahochvakuumbereich höhere Geschwindigkeiten als die Pumpenschaufeln Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB Getterpumpe Pumpwirkung durch gasbindende Stoffe (Getter) Bekannte Getterpumpen sind TitanVerdampferpumpen, bei der die Gasadsorption an einer durch Verdampfen von Titan entstehenden Gettermetallschicht erfolgt (frisches Ti -> keine Oxidschicht -> sehr reaktiv -> bindert Restgas) Bei Ionengetterpumpen wird das Restgas ionisiert, die entstehenden Ionen werden auf eine Sorptionsfläche beschleunigt und dort gebunden. Leistungsfähige Pumpen werden als Kombination beider Wirkprinzipien hergestellt Æ Ultrahochvakuumbereich Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB Einheiten des Drucks 1 at (1 Atmosphäre = 0,981 bar ≈ 1 bar) 1 bar = 1000 mbar (= 10 N/cm²) 1 Pa (1 Pascal = 10-2 mbar) 1 mbar = 0,76 Torr Rezipient: Behälter, in dem sich das zu evakuierende abgeschlossene Volumen befindet. Kapitel 10: Elektronensynchrotron KP/MB
