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Beschleuniger und Mechanismen Seminar Kern- und Teilchenphysik Hüseyin Tepeli VORTRAG am 19.11.2013. Ablauf. Geschichte der Beschleuniger Einsatzgebiete Vorstellen einzelner Beschleuniger Typen/Mechanismen Die Zukunft. Geschichte der Beschleuniger. Bis etwa 1950: der MeV -Bereich

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Beschleuniger und Mechanismen

Seminar Kern- und Teilchenphysik

Hüseyin Tepeli

VORTRAG am 19.11.2013

ablauf
Ablauf
  • Geschichte der Beschleuniger
  • Einsatzgebiete
  • Vorstellen einzelner Beschleuniger Typen/Mechanismen
  • Die Zukunft
geschichte der beschleuniger
Geschichte der Beschleuniger

Bis etwa 1950: der MeV-Bereich

  • (Kosmische Strahlung)
  • (Rutherfordsches Streuexperiment)
  • Van-de-Graaff-Beschleuniger
  • Cockcroft-Walton-Generator
  • Zyklotron
  • Betatron
geschichte der beschleuniger1
Geschichte der Beschleuniger

Ab etwa 1950: der GeV-Bereich

  • Linearbeschleuniger (LINAC)SLAC
  • Ringbeschleuniger (Synchrotron)BevatronCosmotron
  • SpeicherringeIntersecting Storage Rings (ISR)
  • BeschleunigerkomplexeLarge Electron-Positron ColliderLarge Hadron ColliderTevatron
welche teilchen
Welche Teilchen?

Bis heute:

  • Elektronen/Positronen
  • Protonen/Antiprotonen
  • Ionen von Deuteronen bis zum Uran

In der Zukunft:

  • m-Collider
einsatzgebiete
Einsatzgebiete
  • Teilchenphysik: CERN, DESY, SLAC, FERMILAB, JLAB, KEK …
  • Nutzen der Synchrotronstrahlung: z.B. ESRF, DESY, ….Grundlegende Atom- und MolekülphysikFestkörperphysikGeowissenschaftenMaterialwissenschaftenChemieMolekular- und Zell-BiologieOberflächen-/Grenzflächenphysik
  • Kernphysik: S-DALINAC, GSI, SNS (Oak Ridge, USA) ….Elektron-/Proton-BeschleunigerIonen-Beschleuniger/-ColliderGleichstrom-Teilchenstrahlen
einsatzgebiete1
Einsatzgebiete
  • Industrielle AnwendungenRadiographie mit RöntgenstrahlenIonen-ImplantationIsotopen-Herstellung/-TrennungMaterial-UntersuchungenNahrungsmittel-SterilisationElektronen-/Röntgenstrahl-Lithographie
  • Medizinische Anwendungen: GSI - Heidelberg, PSI (Schweiz), …Erzeugung von RadioisotopenBestrahlung von Patienten, z.B. zur Tumorbehandlung
  • Archäologie, Altersdatierung, Umweltforschung (z.B. Wien - VERA)
  • Energietechnik: Kernfusion, Energy Amplifier

Quelle: Rüdiger Schmidt/Prof. Dr. Biebel

einsatzgebiete der beschleuniger
Einsatzgebiete der Beschleuniger
  • World wide inventory of a accelerators, in total 15000. The data have been collected by W. Scarf and W. Wiesczycka (See U. Amaldi Europhysics News, 31/6, 2000) Today (2007), this increased to about 20000.
kosmische strahlung
Kosmische Strahlung

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3a/Cosmicrayshower.png

beschleunigertypen
Beschleunigertypen
  • Direktbeschleuniger:Arbeiten mit hoher Gleichspannung.
  • Linearbeschleuniger:Arbeiten mit Hochfrequenz (Radio Frequency = RF).
  • Kreisbeschleuniger:Arbeiten ebenfalls mit Hochfrequenz (RF) sowie magnetischen Führungsfeldern. 
energiegewinn eines geladenen teilchens
Energiegewinn eines geladenen Teilchens

Der Energiegewinn eines geladenen Teilchen ist proportional zur Spannung, die das Teilchen durchläuft, und zur Ladung des Teilchens.

van de graaf beschleuniger bis 20 mev
Van-de-Graaf-Beschleuniger (bis 20 MeV)

Rosenau-Labor, Tübingen (Quelle: http://de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/1448804)

van de graaf beschleuniger
Van-de-Graaf-Beschleuniger

Schematischer Aufbau (Quelle: de.wikipedia.org)

tandem van de graa beschleuniger
Tandem van-de-Graaff Beschleuniger

Quelle: http://www.ikp.uni-koeln.de/groups/ex/schieck/tandem-prinzip1.html

tandem van de graa beschleuniger1
Tandem van-de-Graaff Beschleuniger

Tandembeschleuniger im Maier-Leibnitz-Laboratorium in Garching bei München + Stripperfolie (Rechts) (http://de.wikipedia.org/wiki/Tandembeschleuniger)

dynamitron tandem beschleuniger bochum bis 50 mev
Dynamitron-Tandem-Beschleuniger Bochum (bis 50 MeV)

http://www.rubion.rub.de/index.php?article_id=18&clang=0

dynamitron tandem beschleuniger bochum 50 mev
Dynamitron-Tandem-Beschleuniger Bochum (50 MeV)

de.wikipedia.org

http://www.rubion.rub.de/index.php?article_id=18&clang=0

cockcroft walton beschleuniger bis 750 kev
Cockcroft-Walton-Beschleuniger(bis 750 KeV)

Cockcroft-Walton Generator (CERN) (de.wikipedia.org)

zyklotron bis 800 mev
Zyklotron (bis 800 MeV)

60-Zoll-Zyklotron des Lawrence Radiation Laboratory, Berkeley, 1939 (de.wikipedia.org)

zyklotron
Zyklotron

Quelle: de.wikipedia.org

lorentz kraft
Lorentz-Kraft

Lorentz kraft bei Bewegung negativer bzw. positiver Ladungsträger

betatron elektronenschleuder
Betatron (Elektronenschleuder)

Historisches 6-MeV-Betatron (Deutschland 1942-46) (de.wikipedia.org)

mikrotron bis 1 5 gev
Mikrotron (bis 1,5 GeV)

Mainzer Mikrotron (http://wwwkph.kph.uni-mainz.de/B1/gallery.php)

aufbau mikrotron
Aufbau Mikrotron

Schema des klassischen Mikrotrons

Schema des Rennbahnmikrotrons

Quelle: de.wikipedia.org

schematische darstellung verschiedener kreisbeschleuniger
Schematische Darstellung verschiedener Kreisbeschleuniger

a) Betatron b) Zyklotron c) Mikrotron d) Synchrotron

Die graue Fläche wird jeweils von einem magnetischen Feld ausgefüllt.

linearbeschleuniger linac
Linearbeschleuniger (LINAC)

1. Wideröe-Struktur (β ≈ 0,005–0,05),

2. RFQ-Struktur (β ≈ 0,005–0,05),

3. Einzelresonator (β ≈ 0,04–0,2),

4. Alvarez-Struktur (β ≈ 0,04–0,6),

5. Wellenleiter-Struktur (β ≈ 1).

1 wider e struktur
1. Wideröe-Struktur

Prinzip eines Linearbeschleunigers nach Ising und Wideröe, hier für negative Teilchen. Die blau gezeichneten „Teilchenpakete“ werden jeweils in der passenden Halbperiode der Wechselspannung beschleunigt (grüner Pfeil). (de.wikipedia.org)

2 rfq struktur
2. RFQ-Struktur

Schematischer Aufbau eines Hochfrequenz-Quadrupols (Radio Frequency

Quadrupole RFQ).

a) Querschnitt mit momentaner Ladungs- und Feldverteilung

Perspektivische Darstellung der radialen Modulation der Pole(„Vanes“).

http://www6.physik.uni-greifswald.de/Linearbeschl_Kleinw.pdf

4 einzelresonator
4. Einzelresonator

http://www.brodeck.de/ess/pages/linac.htm

4 alvarez struktur
4. Alvarez-Struktur

http://adweb.desy.de/~rossbach/uni/teilchenbeschleuniger_kap3.pdf

5 wellenleiter struktur
5. Wellenleiter-Struktur

Standing wave

Quelle: http://rudi.home.cern.ch/rudi/

5 wellenleiter struktur1
5. Wellenleiter-Struktur

http://www.particleadventure.org/german/frameless/accel_ani.html

hohlraumresonator
Hohlraumresonator

http://www.brodeck.de/ess/pages/linac.htm

beschleunigung am fermilab
Beschleunigung am Fermilab

Side-coupled Cavity Linac

Accelerated in a 201.249 MHz drift-tube linac, though five large tanks, to 116 MeV

http://www-ad.fnal.gov/proton/NewProtonWWW/NewLinacWWW/linac_tour.html

slc slac linear collider bisher l ngster linac 3 km bis 52 gev
SLC – SLAC Linear ColliderBisher längster LINAC (3 km, bis 52 GeV)

http://www.particlecentral.com/accelerator_page.html

elektronen linearbeschleuniger
Elektronen-Linearbeschleuniger

Krebstherapie an einem medizinischen Elektronen-Linearbeschleuniger (de.wikipedia.org)

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http://tulectures.web.cern.ch/tulectures/Folien/06_Linearbeschleuniger_MB.pdfhttp://tulectures.web.cern.ch/tulectures/Folien/06_Linearbeschleuniger_MB.pdf

synchrotron
Synchrotron

http://de.wikipedia.org/

synchrotronstrahlung
Synchrotronstrahlung

Geladene Teilchen strahlen bei der Ablenkung im Magnetfeld Synchrotronlicht ab. Da die abgestrahlte Energie umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Ruhemasse ist, ergibt sich nur bei Elektronen ein relevanter Effekt.(Hinterberger, Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik, Springer Verlag (2008), Seite 347)

synchrotronstrahlung1
Synchrotronstrahlung

Synchrotronstrahlung hat eine Reihe interessanter Eigenschaften:

  • breites, kontinuierliches Spektrum
  • hohe Strahlungsintensität
  • tritt gebündelt tangential zur Bewegungsrichtung der Teilchen aus
  • sehr hohe Brillanz
  • die Folgefrequenz und -dauer sind (in engen Grenzen) einstellbar
  • exakte Berechenbarkeit des abgegebenen Spektrums
  • die Strahlung ist kohärent (Grundlage für den Freie-Elektronen-Laser (FEL))
  • Strahlung ist polarisiert

Quelle: de.wikipedia.org

intersecting storage rings am cern bis 63 gev
Intersecting Storage Rings am Cern (bis63 GeV)

http://hedberg.web.cern.ch/hedberg/home/afs/afs.html

speicherringe
Speicherringe

Quelle: de.wikipedia.org

intersecting storage rings am cern bis 63 gev1
Intersecting Storage Rings am CERN(bis 63 GeV)

http://hedberg.web.cern.ch/hedberg/home/afs/afs.html

tevatron bis 2 tev am fermilab
Tevatron (bis 2 TeV) am Fermilab

http://u2.lege.net/cetinbal/tevatron.htm

cern lhc accelerator complex1
CERN LHC accelerator complex
  • Quelle und RFQ: 750 keV
  • LINAC2: 50 MeV
  • PSB: 1,4 GeV
  • PS: 25 GeV
  • SPS: 450 GeV
  • LHC: 7 TeV (Schwerpunktsenergie)
large hadron collider ziel 14 tev
Large Hadron Collider (Ziel 14 TeV)
  • Die Gesamtenergie in jedem der beiden gegensinnig umlaufenden Strahlen ist im Protonenmodus in der Größenordnung von 360 MJ.
  • Dies entspricht der kinetischen Energie eines mit 155 km/h 200 m langen fahrenden ICE.
  • Diese Energie genügt, um etwa eine halbe Tonne Kupfer zu schmelzen.
  • Entspricht einer Energiemenge, wie sie in 90 kg TNT enthalten sind.
  • Die gespeicherte Energie in den Dipolmagneten ist mit 11 GJ noch wesentlich höher.(Quelle: de.wikipedia.org)
die zukunft das fair projekt
Die Zukunft: Das FAIR-Projekt

Quelle: www.fair-center.eu/

die zukunft das fair projekt1
Die Zukunft: Das FAIR-Projekt

Quelle: www.fair-center.eu/

die zukunft das fair projekt2
Die Zukunft: Das FAIR-Projekt

Quelle: www.fair-center.eu/

die zukunft ilc 500 bis 1000 gev
Die Zukunft: ILC  (500 bis 1000 GeV) 

Quellhttp://www.linearcollider.org/images/ilcweb_564_1.jpge:

livingstonplot
Livingstonplot

http://tesla.desy.de/~rasmus/media/Accelerator%20physics/slides/Livingston%20Plot%201.html

die zukunft ilc 500 bis 1000 gev1
Die Zukunft: ILC  (500 bis 1000 GeV) 

Quellhttp://www.linearcollider.org/images/ilcweb_564_1.jpge:

particle accelerators around the world
Particle Accelerators Around the World

Electrons

Stretcher Ring/Continuous Beam facilities

ELSA (Bonn U), JLab, MAMI (Mainz U), MAX-Lab, SLAC

Synchrotron Light Sources, Storage Rings

ALBA, ANKA, ALS (LBL), APS (ANL), AS, ASTRID (ISA), ASTRID2 (ISA), BESSY II, CAMD (LSU), CeBeTeRad, CHESS (Cornell Wilson Lab), CLS (U ofSaskatchewan), DELTA (U of Dortmund), ELBE (HZDR), Elettra, ELISA (ISA),ELSA (Bonn U), ELU-6e, ESRF, HASYLAB (DESY), HLS, INDUS (CAT), MAX-Lab, MLS, LNLS, NSLS, PAL, SESAME, SLS (PSI), SPEAR (SSRL, SLAC), SOLEIL, SPring-8, SRC (U of Wisconsin), SSRF, SURF III (NIST), TPS, TUNL

Other

BATES, IAC, Neptune, PEGASUS, PITZ, S-DALINAC, UNAM, WMU

Protons

ARRONAX, 88" Cyclotron (LBL), CERI, CNA, CNL (UC DAVIS), COSY (FZ Jülich), ININ, ISIS, IUCF, KEK, LHC (CERN), iThemba, PS (CERN), PSI, RHIC (BNL), SPS (CERN), TRIUMF, TSL

Light and Heavy Ions

ARRONAX, 88" Cyclotron (LBL), AGOR, ANSTO, ANU, ASTRID (ISA), CENPA, CMAM, CNL (UC DAVIS), ATLAS (ANL), CERI, CRYRING (MSL), CYCLONE, ESSB, GANIL, GSI, HISKP, ININ, ISNAP, IUCF, JYFL, LAFN, LAC, LHC(CERN), LHE Synchrophasotron / Nuclotron (JINR), LNL (INFN), LNS (INFN), Maier-Leibnitz-Laboratorium, MIBL, MIC, MPI-HD, iThemba, ORNL, OUAL, PSI, RHIC (BNL), RIBRAS, RUBION, SNS, SPS (CERN), TAMU, TANDAR, TSL,TUNL, U-400 / U-400M (JINR), UAC, UMASS, UNAM, VECC

Collider

BEPC, CESR, DAFNE (LNF), LHC (CERN), RHIC (BNL), SLC (SLAC), TESLA (DESY), Tevatron (FNAL), VEPP-3, VEPP-4M, VEPP-2000 (BINP)

http://www-elsa.physik.uni-bonn.de/Informationen/accelerator_list.html

geschichte der beschleuniger im detail
Geschichte der Beschleuniger im Detail

1873 Veröffentlichung von ”Treatise on ElectricityandMagnetism“ (J. C. Maxwell)

1886 Karlsruhe: erster Nachweis elektromagnetischer Wellen (H. Hertz)

1895 Würzburg: Entdeckung der R¨ontgenstrahlung (W. C. R¨ontgen)

1908 erste Theorie der Synchrotronstrahlung (G. A. Schott)

1896 Paris: Entdeckung der Radioaktivität (A. H. Becquerel)

1910 Manchester: Entdeckung des Atomkerns (E. Rutherford)

1920 Zürich: erster Kaskaden-Generator (H. Greinacker)

1922 Grundidee des Betatrons patentiert (J. Slepian)

1924 Konzept des Linearbeschleunigers publiziert (G. Ising)

1928 Aachen: erster Linearbeschleuniger (R. Wideröe)

1929 Prinzip des Zyklotrons (E. O. Lawrence, N. Edlefsen)

1931 Princeton: erster Van-de-Graaf-Generator (van de Graaf)

1931 Berkeley: erstes Zyklotron (E. O. Lawrence, M. S. Livingston)

1932 Cambridge: Cockroft-Walton-Generator, erste Kernreaktion (J. Cockroft, E. Walton)

1937 Stanford University: Erfindung des Klystrons (W. W. Hansen, R. Varian, S. Varian)

1940 University of Illinois: erstes Betatron (D. W. Kerst, R. Serber)

1943 Prinzip des Speicherrings (”Kernmühle“) patentiert (R. Wideröe)

1944 Prinzip des Mikrotrons publiziert (V. I. Veksler)

1945 Prinzip des Synchrotrons publiziert (E. M. McMillan, V. I. Veksler)

1946 Woolwich: erstes Elektronen-Synchrotron (F. K. Goward, D. E. Barnes)

1947 Stanford University: erster Elektronen-Linearbeschleuniger (E. L. Ginzton et al.)

geschichte der beschleuniger im detail1
Geschichte der Beschleuniger im Detail

1947 New York: erste direkte Beobachtung von Synchrotronstrahlung (F. R. Elder)

1947 Studie über Protonen-Synchrotron (M. L. Oliphant)

1948 Berkeley: erster Protonen-Linearbeschleuniger (L. Alvarez)

1949 Theorie der Synchrotronstrahlung (J. Schwinger)

1950 Prinzip der ”starken Fokussierung“ patentiert (N. Christophilos)

1953 Birmingham: erstes Protonen-Synchrotron in Brookhaven (M. L. Oliphant)

1952 erste Publikation zur ”starken Fokussierung“ (E. D. Courant et al.)

1953 Stanford University: erster Undulator (H. Motz)

1957 Palo Alto: ”Ubitron“, Vorläufer des Freie-Elektronen-Lasers (R. M. Phillips)

1961 Frascati: erster Elektronen-Positronen-Speicherring (B. Touschek)

1961 Washington, D.C.:”SURF I“, erste parasitäre Nutzung von Synchrotronstrahlung

1965 Prinzip des Energy Recovery Linac publiziert (M. Tigner)

1968 University of Wisconsin: erste dedizierte Synchrotronstrahlungsquelle” Tantalus I“

1971 Prinzip des Freie-Elektronen-Laser publiziert (J. M. J. Madey)

1977 Stanford University: erster Freie-Elektronen-Laser (J. M. J. Madey et al.)

2000 DESY/Hamburg: ”TTF“, erster Freie-Elektronen-Laser im UV-Bereich (J. Roßbach et al.)

2000 Jeffersen Lab: erster Energy Recovery Linac (G. Neil et al.)

2006 Berkeley: 1 GeV Elektronen mit Laser-Plasma-Beschleunigung (W. Leemans et al.)

2009 SLAC: ”LCLS“ erster Freie-Elektronen-Laser in Röntgenbereich (J. Galayda et al.)

quellen
Quellen

Literatur:

K. Wille, Physik der Teilchenbeschleuniger und Synchrotronstrahlungsquellen, Teubner Verlag (1992, Neuauflage 2002)

Hinterberger, Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik, Springer Verlag (2008)

Rüdiger Schmidt, Einführung in Physik und Technik der Teilchenbeschleuniger

http://rudi.home.cern.ch/rudi/lectures%20darmstadt/overview.htm

de.wikipedia.org

http://tesla.desy.de/~rasmus/media/Accelerator%20physics/slides/Livingston%20Plot%201.html

http://tesla.desy.de/~rasmus/media/Accelerator%20physics/slides/Livingston%20Plot%202.html

http://www.particlecentral.com/accelerator_page.html

http://asistm.duit.uwa.edu.au/synchrotron/downloads/pdfs/chapter02_2.pdf

http://www.delta.tu-dortmund.de/cms/Medienpool/Khan_Bilder/Beschleuniger_WS2012/Beschleuniger-Skript-2012.pdf

http://www.physi.uni-heidelberg.de/~uwer/lectures/PhysikV/Vorlesung/Kapitel-IIIa.pdf

http://tulectures.web.cern.ch/tulectures/

http://www6.physik.uni-greifswald.de/Linearbeschl_Kleinw.pdf

http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~tkuhr/HauptseminarWS1112/Schell.pdf