Teilchenbeschleuniger Martin Eibach Teilchenbeschleuniger werden in der Forschung und im täglichen Gebrauch angewendet, denn es gibt einige Möglichkeiten, beschleunigte Teilchen oder die von ihnen emittierte Strahlung zu nutzen. I. Teilchen Ruheenergie MOTIVATION e− , e+ p, p̄ Z0 t Wie bereits in der Einleitung erwähnt, gibt es viel- Higgs fältige Einsatzmöglichkeiten für Teilchenbeschleuniger. Das für uns interessanteste Anwendungsgebiet ist die Physik, in der sie genutzt werden um Elementarteilchen 511 keV 938 M eV 91 GeV 174, 3 GeV ? Tabelle I: Verschiedene Teilchen und ihre Ruhemassen. oder Radionuklide herzustellen oder um Strukturen der Materie zu untersuchen. Allerdings gibt es auch in der II. Industrie, wo Elektronenbeschleuniger zur Materialforschung genutzt oder Elektronenspeicherringe, die Syn- A. chrotronstrahlung emittieren. Die Hauptanwendung von GRUNDLAGEN Beschleunigen und Ablenken Beschleunigern in der Medizin sind kurze, gepulste Elektronenlinacs mit einer Energie von ein paar MeV bis we- Möchte man ein Teilchen beschleunigen, kann man nigen 10 MeV. Diese dienen der Strahlentherapie von dies nur, indem eine der vier fundamentalen Wechselwir- Tumoren mit Elektronen oder Photonen, die durch aus kungen wirkt. Aus einfachen Gründen der Reichweite, der Bremsstrahlung kommen. Wegen des Bragg Peaks bieten sich starke und schwache Wechselwirkung nicht ist aber insbesondere die Bestrahlung mit Protonen oder an. Die Gravitation ist nicht nutzbar, da sie viel zu auch 12 C -Ionen interessant. Zu ersterem gibt es weltweit schwach ist, was dazu führt, dass nur noch der Elek- einige Anlagen, zu letzterem hat die GSI in Pilotversu- tromagnetismus übrig bleibt. Bewegt sich ein Teilchen chen ungefähr 50 Patienten behandelt. Auÿerdem ben- mit der Ladung det sich zur Zeit eine klinische Anlage in Heidelberg im Raum, in dem ein Magnetfeld Aufbau. Feld #„ E q mit der Geschwindigkeit #„ B #„ v durch einen und ein elektrisches wirken, so wirkt auf es die Lorentzkraft Macht man es sich nun zur Aufgabe, elementare Struk- #„ #„ #„ v ×B+E . F = q #„ turen zu Untersuchen, so wird man feststellen, dass bereits die Gröÿe eines Nukleons im Bereich von 10 −15 m d < liegt. Das führt dazu, dass man elektromagneti- sche Strahlung benötigt, deren Wellenlänge λ ≤ 10−15 m liegen muss, was dazu führt, dass man eine Energie von Der Energieübertrag auf das Teilchen entspricht nun einfach dem Integral über den Weg, den es zurücklegt: Z r2 ∆E = q r1 r2 Z Eγ = hc = 0, 2 nJ = 1, 2 GeV λ (2) = q (1) #„ #„ #„ v × B + E d #„ r (3) #„ Ed #„ r = qU (4) r1 Gleichung 4 ergibt sich dadurch, dass der Geschwindigkeitsvektor #„ v und der Richtungsvektor d #„ r parallel und Kreuzprodukte paralleler Vektoren Null sind. benötigt. Diese Untersuchungen sind natürlich ebenfalls Daraus kann man sofort folgern, dass man Energie gela- mit Materiewellen möglich. Da hier jedoch für die de- dener Teilchen nur mit elektrischen Feldern erhöhen kann λdB ≤ 10−15 m gelten muss, kommt und man Magnetfelder zu Ablenkung benutzt. Die wahr- man zu den Ergebnis, dass ebenfalls eine Energie von scheinlich auftauchende Frage, warum man die Teilchen 1, 2 GeV nicht mit elektrischen Feldern ablenkt, lässt sich ganz Broglie-Wellenlänge benötigt wird. Es ist ebenfalls möglich durch das Aufbringen genü- einfach beantworten: gend hoher Energien Teilchen zu erzeugen. Das bedeu- Betrachten wir die Lorentzkraft und nehmen an, dass tet, dass bei der Kollision von Teilchen Energie frei wird, sich die abzulenkenden Teilchen schon fast mit Lichtge- die der Summe der kinetischen Energien entspricht. Aus schwindigkeit bewegen. Nun ist die auf ein Teilchen wir- der Energie, die bei der Kollision frei wird, können sich kende Kraft, die durch groÿ wie nun Teilchen bilden. Damit ein bestimmtes Teilchen ent- die, die durch letzteres steht muss allerdings mindestens dessen Ruheenergie auf- nicht zu realisieren ist, lenkt man mit Magnetfeldern ab. gewendet werden. Im Umkehrschluss kann man sich verdeutlichen, dass es B = 1 T erzeugt wird so V E = 3 · 108 m erzeugt wird. Da 2 für sehr niederenergetische Teilchen günstiger ist, elek- Eine grasche Darstellung der Eekte ndet man in Ab- trische Felder zur Strahlführung zu verwenden. Das liegt bildung 2 mit der Spannung auf der daran, dass man sehr geringe Magnetfelder zum Ablen- auf der x- und dem Strom y -Achse. ken von Teilchen benötigen würde, die sich aufgrund der Remanenz von Eisenmagneten nur schwer reproduzieren lassen. Diese Reproduzierbarkeit kann mit elektrischen Feldern, die man mit Plattenkongurationen annähernd beliebig realisieren kann, bei geringen Feldstärken allerdings sehr leicht erreichen. B. Der einfachste Beschleuniger Wenn man sich ganz naiv überlegt, wie man geladene Teilchen beschleunigen könnte, kommt man sicher auf einen Gleichspannungsbeschleuniger, wie in Abbildung 1 zu sehen. Abbildung 2: verschiedene Eekte, die Gleichspannungsbeschleuniger limitieren. Hier werden die Teilchen aus einer Teilchenquelle emit- III. LINEARBESCHLEUNIGER Nachdem die Grenzen des Gleichspannungsbeschleunigers aufgezeigt wurden, muss man sich überlegen, wie man Teilchen noch mehr Energie zuführen kann. Rolf Wideröe eintwickelte zu diesem Zweck einen Hochfrequenzbeschleuniger wie in Abbildung 3 zu sehen. Hier sieht Abbildung 1: Gleichspannungsbeschleuniger tiert und zu der entgegengesetzt geladenen Elektrode hinbeschleunigt. Einige durchdringen dann das Loch in der Mitte und treen auf das Target. Mann muss beachten, dass der Aufbau, vollständig im Vakuum sein muss. Dieses Verfahren wird sogar noch heute verwendet. Ein Beschleuniger, der nach diesem Prinzip arbeitet, ndet sich in jedem Röhren Monitor und wird mit einer Arbeitsspannung von 16 − 25 kV betrieben. Doch diese Art der Beschleunigung hat ihre Grenzen, denn die maximale Betriebsspannung liegt bei ungefähr 10 M V . Verantwortlich dafür sind im Wesentlichen drei Eekte: • Ionenstrom: Restgas wird ionisiert und beschleunigt. Dieser Eekt tritt früh auf und nimmt schnell ein Maximum an. • Ohmscher Widerstand: Da die Isolatoren einen Abbildung 3: Schematische Darstellung eines Driftröhrenlinacs man einen Ausbau mit verschieden langen Röhren, wobei immer jeweils ungeradzahlige und geradzahlige gleich gepolt sind. Diese Röhren sind mit einer Hochspannungsquelle verbunden, die eine Sinusspannung mit einer festen Frequenz liefert. Während das Teilchen in einer Röhre ist, sieht es kein Feld und wird demnach nicht beschleunigt, ist es zwischen zwei Röhren, wird es beschleunigt und gewinnt eine Energie von endlichen Widerstand haben, ieÿt immer Strom, Eγ = qU0 sin Ψs der linear zur Spannung steigt. mit der Phase • Ψs (5) der Spannung. Da die Teilchen durch Koronabildung: Ionen und Elektronen werden den Energiegewinn immer schneller werden, müssen auch so stark beschleunigt, dass durch Stöÿe mit Rest- die Röhren immer länger werden, denn das Teilchen soll gasatomen weitere Ionen entstehen. So kann es zu während einer halben Periodendauer der Frequenz nicht Funkenüberschlägen kommen. Dieser Eekt tritt vom Feld beeinusst werden, da es sonst gebremst wür- erst bei hohen Spannungen auf und steigt dann ex- de. Diese halbe Periodendauer ponentiell zur Spannung an. τHF 2 kommt durch die abwechselnde Polung der Röhren zustande, denn wenn das 3 Teilchen eine Röhre verlässt, muss die vor ihm liegende IV. KREISBESCHLEUNIGER umgekehrt gepolt sein. So ergibt sich für die Länge der Röhren: li = Es ist nun möglich, sich über folgende Probleme im Klaren zu sein: Je schneller die Teilchen sein sollen, desto vi τHF vi vi λHF λHF = = = βi 2 2νHF 2c 2 (6) länger müssen die Beschleunigerstrukturen sein, was wiederum dazu führt, dass die HF-Leistung immer höher werden muss und die Kühlung der Strukturen damit Rechnet man βi aus dem bekannten Geschwindigkeitszu- wachs pro Driftröhre aus, ergibt sich das Endergebnis immer aufwändiger wird. Falls man auf supraleitende Strukturen verzichten möchte, kann man an auch eine Beschleunigerstruktur mehrfach verwenden. Das führt li = 1 νHF r iqU0 sin Ψs 2m (7) dann aber auch dazu, dass der Strahl im Kreis geführt werden muss. Aus Gleichung 6 kann man erkennen, dass es einen klaren Unterschied für relativistische und nichtrelativistsche Teilchen gibt: Da bei relativistischen Teilchen β ≈ 1 A. Strahloptik ist, haben alle Röhren dieselbe Länge, während sie für nichtrelativistische Teilchen länger werden. Diese Überlegungen gelten zunächst nur für ein Teilchen. Schwieriger wird es, wenn man sich ein Teilchenpaket, einen bunch, betrachtet, da in einem solchen bunch die Teilchen unterschiedliche Geschwindigkeiten haben. Aus Um zu verstehen, wie ein Kreisbeschleuniger funktioniert, muss man sich erst ein wenig mit Strahloptik beschäftigen. Wenn ein Teilchen im Magnetfeld abgelenkt wird gilt immer, dass Lorentz- und Zentripetalkraft gleich sind, woraus sich eine Relation für Gleichung 5 ist bekannt, dass der Energiezuwachs von 1 R ergibt: mv 2 1 e = evB ⇔ = B(x) R R p der Phase der Spannung abhängt. In Abbildung 4 ist der Verlauf der Spannung illustriert, Wenn man nun eine (8) Multipolentwicklung von B(x) durchführt, wie in Abbildung 5 zu sehen, erhält man die verschiedenen Multipolmomente, die den Strahl beeinussen. Hier reicht es allerdings, sich nur mit Diund Quadrupolmomenten zu beschäftigen, weshalb wir ab sofort nur noch von linearer Strahloptik sprechen. Einen Dipol, dessen schematischen Aufbau man in Abbildung 4: Eine Periode der HF-Spannung x-Achse die Zeit y -Achse die Spannung. wobei auf der auf der aufgetragen wurde und Würde man nun im Maximum der Spannung beschleunigen, hätte man das Problem, dass hinten liegende Teilchen, die demnach eine niedrigere Phase sehen als vor ihnen liegende, weniger beschleunigt würden, was dazu führt, dass der Strahl auseinander läuft. Abbildung 5: Multipolentwicklung des Magnetfeldes Aus diesem Grund bedient man sich der sogenannten Phasenfokussierung. Das bedeutet, dass die Teilchen an Abbildung der steigenden Flanke der Spannung beschleunigt werden abzulenken, wobei man die Ablenkung mit der Drei- und somit hinten liegende Teilchen später beschleunigt Finger-Regel ermitteln kann. In dem unten zu sehenden werden als vorne liegende, was dazu führt, dass sie eine Schema wird ein Elektronenstrahl, der aus der Ebene höhere Phase sehen und stärker beschleunigt werden. kommt, nach rechts abgelenkt. 6 sieht, benutzt man, um einen Strahl Das heiÿt, die Teilchen schwingen in der Phase immer Für den Ablenkradius gilt Gleichung 9 für relativistische um die Position des Idealteilchens, dass in der Mitte des Teilchen und Gleichung 10 speziell für relativistische bunches liegt und immer gleich beschleunigt wird. Elektronen: 4 Abbildung 6: Schematischer Aufbau eines Dipols Abbildung 8: Schematischer Aufbau eines Synchrotrons E ecB R = (9) R[m] = 3, 3 · Ein Quadrupol, Abbildung 7 zu dessen sehen wird zu. Ein Synchrotron, dessen schematischer Aufbau man in Abbildung 8 sieht, wird von einem E[GeV ] B[T ] schematischer ist, Synchrotron (10) Linearbeschleuniger gespeist. Der Teilchenstrahl wird in den Kreisbeschleuniger injiziert und läuft dort im Kreis. in Wenn wir uns nochmal Gleichung 9 ins Gedächtnis einen rufen, sehen wir, dass, da der Radius konstant ist, Aufbau benutzt, um E/B Teilchenstrahl zu fokussieren. Das Problem, das sich hier das Verhältnis auftut, ist allerdings, dass er, wie man an den roten Pfei- bedeutet, dass man zum Beschleunigen das Magnetfeld immer konstant sein muss. Das len erkennen kann, die die Lorentzkraft darstellen, in eine erhöht und Richtung fokussierend und in die andere defokussierend Beschleunigungsstrecke erhöht. Der Nachteil an diesem wirkt. Dieses Problem lässt sich dadurch beheben, dass Verfahren ist allerdings, dass man keinen kontinuierli- synchron die Energie der Teilchen in der chen Strahl mehr bekommen, sondern nur noch einzelne Teilchenpakete beschleunigen kann. Da auch diesmal die Überlegungen wieder nur für ein Teilchen gelten, muss man sich erneut über die Phasenfokussierung Gedanken machen. In Abbildung Abbildung 7: Schematische Darstellung eines Quadrupols man zwei Quadrupole, die um 90◦ zueinander verdreht sind, hintereinander anordnet. Auf diese Weise wird zum Beispiel ein Strahl, der auÿen, auf den fokussierenden Quadrupol trit stärker fokussiert, als er später durch Abbildung 9: Phasenfokussierung im Kreisbeschleuniger den zweiten defokussiert wird, was umgekehrt genauso gilt. Das einzige, was beachtet werden muss ist, dass 9 sieht man, dass Teilchen, die weniger Energie haben der Abstand der Quadrupole nicht gröÿer sein darf als als das Idealteilchen, eine etwas engere Bahn im Ring die Brennweite, da sonst das gewünschte Eekt verloren beschreiben und somit früher an der Beschleunigungs- geht. strecke ankommen. Das bedeutet, wenn man nun an der fallenden Flanke der Spannung beschleunigt, dass Teilchen mit weniger Energie, früher beschleunigt werden als Teilchen mit mehr Energie, folglich eine höhere B. Das Synchrotron Amplitude sehen und stärker beschleunigt werden. Der Umkehrschluss Da jetzt die Grundlagen vorhanden sind, um einen Kreisbeschleuniger zu verstehen, wenden wir uns dem für höherenergetischere Teilchen gilt natürlich wieder. So kann man also bewerkstelligen, dass der Strahl nicht auseinander läuft. 5 C. werden. Synchrotronstrahlung Luminosität Bei Arbeiten mit Beschleunigern darf man nie vergessen, dass beschleunigte geladene Teilchen immer Strah- L ist ein Maÿ für die Ezienz eines Stoÿ- experiments. Sie hängt linear mit der Reaktionsrate dN dt zusammen: lung, die sogenannte Synchrotronstrahlung emittieren. dN = σL dt In einem Linearbeschleuniger ist sie klein im Vergleich zu einem Ringbeschleuniger, denn es gelten im Wesent- (15) lichen folgende Proportionalitäten für die abgestrahlte Würden alle Teilchen des Strahls genau einen Stoÿ aus- Leistung: führen, wäre die Luminosität identisch mit der Stromdichte des Strahls. 2 e2 dE ∝ m20 dx e2 E 4 ∝ m40 R2 Plinear PKreis (11) Relation kann die Treeräche eines Targets. Das bedeutet, dass jebe zugeordnet wird, deren Gröÿe so gewählt wird, dass eine Wechselwirkung nur stattndet, wenn ein Teilchen e2 E 4 m40 R (13) diese Zielscheibe trit. Diese Fläche ist der Wirkungsquerschnitt und hängt immer von der Reaktion und der Energie ab. Man misst ihn in Scheunen: ∆EElektron ∆PElektron = = 1, 14 · 1013 ∆EP roton ∆PP roton dieser zwischen Reaktionsrate dem Targetteilchen eine Fläche als gedachte Zielschei- was zu folgender Relation führt: Aus σ und Luminosität nennt man Wirkungsquerschnitt. Zur Erinnerung: Der Wirkungsquerschnitt ist ein Maÿ für (12) Im Kreisbeschleuniger gilt für den Energieverlust somit: ∆E ∝ Der Proportionalitätsfaktor man erkennen, (14) dass die 1 barn = 1 b = 10−28 m2 = 100 f m2 B. Der Speicherring Leistung, die bei der Beschleunigung von Elektronen abgestrahlt wird, sehr viel höher ist, als bei schwereren Teilchen, was der Grund dafür ist, dass man Elektronenbeschleuniger als Dieser Unterschied groÿe Synchrotronstrahlungsquellen führt auch dazu, nutzt. dass die Nun, da das Prinzip der Luminosität bekannt ist, soll der Speicherring erklärt werden, dessen Schema in Abbildung 10 zusehen ist. Der Speicherring ist, wie bereits er- Obergrenze für die Energie beschleunigter Elektronen 10 GeV T eV . bei ungefähr mehreren Als konkretes LHC liegt, bei Protonen hingegen bei Beispiel vergleichen: Der kann LEP, war man LEP ein und Elektronen- /Positronenbeschleuniger, der am CERN mit 102 GeV Strahlenergie betrieben wurde. Damit kommt man mit dem Umfang von 3 MW pro mA 27 km auf einen Energieverlust von Strahlstrom. Der LHC, durch den der LEP ersetzt wurde, hat eine Protonenenergie von was zu einem Energieverlust von wenigen V. kW 7 T eV , führt. DER SPEICHERRING Da es beim Synchrotron wie schon gesagt nicht möglich ist, einen kontinuierlichen Strahl zu führen, kann man prinzipiell ein Synchrotron so verwenden, dass das Magnetfeld immer gleich bleibt und in der Beschleunigungs- Abbildung 10: Schematische Darstellung eines Speicherrings strecke nur Energieverluste ausgeglichen werden. So ist es möglich eine Struktur, die dem Synchrotron sehr ähnlich wähnt, im Prinzip ein Synchrotron mit gleich bleibendem ist, als Magnetfeld, so dass viele Teilchenbunches injiziert wer- Speicherring zu betreiben. den und so hohe Luminositäten erreicht werden können. Betreibt man einen solchen Speicherring als A. Luminosität Collider, werden, wie hier am Beispiel eines Elektron-PositronColliders, gleichzeitig ein Elektron- und ein Positron- Bevor näher auf den Speicherring eingegangen wird, bunch injiziert, damit sie im Detektor kollidieren. Die soll allerdings der Begri der Luminosität kurz erläutert Strahlen laufen aufgrund der entgegengesetzten Ladung 6 entgegengesetzt, wollte man beispielsweise zwei Protonenstrahlen kollidieren lassen, müsste man auch zwei Speicherringe bauen. Jetzt wollen wir noch einmal kurz auf die Luminosität eingehen, die, wenn man sie bei einem Collider betrachtet, ausschlieÿlich von den Eigenschaften der Strahle abhängt: NB N1 N2 fU A L= Hier ist NB (16) N1 die Anzahl der bunches, und N2 sind Anzahlen die Teilchen in den kollidierenden bunches, A ist die Umlaurequenz im Ring und fu ist die eektive Wechselwirkungsäche. Wenn man keine Strahlen kollidieren lässt, sondern den Strahl auf ein festes Target schieÿt, hängt die Luminos- Abbildung 11: Prinzip der stochastischen Kühlung titäten nicht ausschlieÿlich vom Strahl ab: L= Hier ist NB fA (17) N die Anzahl der bunches, Teilchen im bunch, Target, NB N Nt fA A Nt ist die Anzahl ist die Anzahl der Teilchen im ist die Auftrefrequenz auf das Target und A ist die eektive Wechselwirkungsäche. VI. Abbildung 12: Prinzip der Elektronenkühlung STRAHLKÜHLUNG Manchmal kommt es auch vor, dass sich ein Teilchenstrahl aufheizt was man eigentlich vermeiden möchte. Da dies im Wesentlichen beim Verlangsamen von Antiprotonen zur Herstellung von Antiwassersto nötig ist, wir dies im folgenden explizit Beispiel durchgeführt. Die Methoden der an diesem Strahlkühlung können aber im Prinzip bei jeder Art von Teilchenstrahl wird nun in den AD geführt, sodass die Antiprotonen ihn durchlaufen müssen. Während die Antiprotonen im Elektronenstrahl die von der sind, geben Vorwärtsrichtung sie durch Bewegungen, abweichen, thermische Energie ab. Nach ca. 2 Metern werden Elektronen und Antiprotonen wieder getrennt. angewandt werden. Das Kühlen der Antiprotonen geschieht im Antiproton Decelerator chastische (AD). Dort Kühlung und wird der Strahl durch Elektronenkühlung sto- schärfer VII. gemacht, indem ihm thermische Energie entzogen wird. Mit thermischer Energie ist hier gemeint, dass FAZIT sich die Antiprotonen nicht nur in Strahlrichtung, sondern In diesem Paper wurden die Grundlagen der Beschleu- Diese nigung von Teilchen sowie verschiedene Arten von Teil- Radialbewegung soll durch die Kühlverfahren verringert chenbeschleunigern vorgestellt. Dabei wurde für jeden werden. Typ Vor- und Nachteile herausgearbeitet, wobei sich sich auch radial zur Strahlrichtung Stochastischen Kühlen bewegen. deutlich gezeigt hat, dass es keinen besten TeilchenElektroden beschleuniger gibt, sondern je nach Anwendung eine an- das elektrische Feld des Strahls. Eine Elektronik errech- dere Bauart sinnvoll ist. Wichtige Kriterien sind dabei net dann die Abweichung des Strahlschwerpunktes von zum Beispiel die Frage, ob kontinuierlicher Betrieb nö- seiner Sollbahn und eine Elektronik gibt anschlieÿend tig ist, oder ob Synchrotronstrahlung eine Rolle spie- einen Korrekturpuls in die richtige Richtung. len wird. Abschlieÿend wurden noch kurz die Prinzipien Beim Zur Elektronenkühlung messen der Strahlkühlung vorgestellt, die aus Zeitgründen nicht benötigt man einen Elek- mehr im Vortrag behandelt werden konnten. Die Prinzip und Einzelheiten des MAMI, einem Vertreter Elektronen bewegen sich also kaum nach oben, unten, vom Typs des Mikrotrons, ndet man im Paper von Kon- links oder rechts, haben allerdings dieselbe Geschwin- rad Grieÿinger. tronenstrahl mit niedriger thermischer Energie. digkeit wie die Antiprotonen. Dieser Elektronenstrahl