1 Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działaSławomir Wronka, r

2 Akcelerator – co to takiego ? dr Sławomir Wronka, IPJ

3 Akcelerator - definicjaAkcelerator to urządzenie do przyspieszania cząstek, w którym możemy kontrolować parametry wiązki Przyspieszanie odbywa się za pomocą pola elektrycznego Tylko cząstki niosące ładunek Do skupienia cząstek w wiązkę oraz do nadania im pożądanego kierunku używa się odpowiednio ukształtowanego, w niektórych konstrukcjach także zmieniającego się w czasie, pola magnetycznego lub elektrycznego dr Sławomir Wronka, IPJ

4 Domowy akcelerator: kineskop TVElektrony są przyspieszane w próżni w kierunku dodatnio naładowanej elektrody. Pola elektromagnetyczne prowadzą wiązkę do ekranu. W miejscach, gdzie wiązka uderza, ekran robi się jasny, budując w ten sposób obraz. dr Sławomir Wronka, IPJ

5 Akceleratory – do czego ?Badania naukowe Medycyna Przemysł ……. dr Sławomir Wronka, IPJ

6 Akceleratory – a po co ? Accelerators in the world (2002)D.Brandt, 2004 dr Sławomir Wronka, IPJ

7 Odkrycie promieniowania XWilhelm Conrad Röntgen ( ) Modern radiograph of a hand Bertha Röntgen’s Hand 8 Nov, 1895

8 Akceleratory – jak ? Metody DC Akceleratory linioweAkceleratory kołowe dr Sławomir Wronka, IPJ

9 1 eV = 1.602·10-19 J keV, MeV, GeV, TeV dr Sławomir Wronka, IPJ

10 Akceleratory DC Cząstka nabiera energii poruszając się pomiędzy dwoma potencjałami ΔV=V-V0. Wiązka przechodzi tylko raz Im wyższy potencjał tym większa energia dr Sławomir Wronka, IPJ

11 1932 – pierwszy akceleratorCockcroft- Walton. 400kV 200kV dr Sławomir Wronka, IPJ

12 Generator Van de Graaffa dr Sławomir Wronka, IPJ

13 dr Sławomir Wronka, IPJ

14 Akceleratory liniowe wcz

15 Metoda Wideröe Cząstki przyspieszane pomiędzy komorami dryfowymiźródło T5 Cząstki przyspieszane pomiędzy komorami dryfowymi Konieczność coraz dłuższych komór Ograniczenia: rozmiary (dla 7MHz, proton 1MeV pokonuje 2m/cykl), straty radiacyjne dla wyższych częstotliwości dr Sławomir Wronka, IPJ

16 Metoda Wideröe dr Sławomir Wronka, IPJ

17 Metoda Alvareza Zamykamy przestrzeń przyspieszania we wnęce o dobranej częstotliwości rezonansowej dr Sławomir Wronka, IPJ

18 dr Sławomir Wronka, IPJ

19 Metoda Alvareza Pierwszy akcelerator Alvareza zbudowany został w 1946r. Przyspieszał protony do energii 32 MeV, zasilany ze źródła 200MHz. Używane do dziś dla ciężkich cząstek. Efektywne przyspieszanie w zakresie dr Sławomir Wronka, IPJ

20 Przyspieszanie cząstek relatywistycznych, czyli elektronówv/c Elektron Proton 10 keV 0,195 0,0046 100 keV 0,548 0,0147 1 MeV 0,941 0,0465 5 MeV 0,996 0,1026 10 MeV 0,999 0,1451 1GeV ~1 !!! dr Sławomir Wronka, IPJ

21 Przyspieszanie elektronówWysoka częstotliwość, ponieważ duża prędkość ! Fala 10cm – 3000 MHz dr Sławomir Wronka, IPJ

22 Przyspieszanie elektronówPomysł – może wystarczy wziąć falowód ? Elektrony będą przyspieszać wraz z poruszającą się falą. Tak, ale jest mały problem – fala elektromagnetyczna o głównej składowej pola E „do przodu” porusza się ZA SZYBKO w kołowych lub prostokątnych falowodach. dr Sławomir Wronka, IPJ

23 Przyspieszanie elektronówDyski o odpowiedniej średnicy zapewniają „zwolnienie” rozprzestrzeniania się fali tak, aby zapewnić prędkość porównywalną z prędkością cząstek (v~c) dr Sławomir Wronka, IPJ

24 Przyspieszanie elektronówStanding wave Moving wave dr Sławomir Wronka, IPJ

25 A tak przy okazji – skąd wziąć cząstki ?Butla z wodorem: dr Sławomir Wronka, IPJ

26 Akceleratory kołowe wcz

27 Ruch cząstki w polu magnetycznym dr Sławomir Wronka, IPJ

28 Ruch cząstki w polu magnetycznymWartość siły Lorenza: Siła skierowana jest prostopadle do wektora prędkości Siła Lorenza to siła dośrodkowa dr Sławomir Wronka, IPJ

29 Ładunek w polu magnetycznymOkres ruchu: Częstość kołowa: Częstość cyklotronowa niezależna od prędkości dr Sławomir Wronka, IPJ

30 Cyklotron /Lawrence, 1932/ Nagroda Nobla 1939 21.05.2007dr Sławomir Wronka, IPJ

31 Cyklotron Cząstki w polu magnetycznym elektromagnesu (nabiegunniki zwane duantami) Zmienne pole wcz w szczelinie Ruch cząstki zsynchronizowany z polem przyspieszającym – MHz. Relatywistyczny przyrost masy rozsynchronizowuje cały proces – limit energetyczny… dr Sławomir Wronka, IPJ

32 Cyklotron Np. Protony – do 10MeV NIE DO ELEKTRONÓW 21.05.2007dr Sławomir Wronka, IPJ

33 Cyklotron dr Sławomir Wronka, IPJ

34 Cyklotron izochronicznyCyklotron izochroniczny - akcelerator z azymutalną modulacją pola - cyklotron, skonstruowany tak by czas jednego obiegu rozpędzanych cząstek był stały (stąd nazwa izochroniczny) pomimo wzrostu masy cząstki wywołanej efektami relatywistycznymi, które występują przy rozpędzaniu cząstek do prędkości porównywalnych z prędkością światła. dr Sławomir Wronka, IPJ

35 Cyklotron izochronicznyStały czas obiegu uzyskuje się poprzez odpowiednie ukształtowanie pola magnetycznego zakrzywiającego tor ruchu cząstek. Wzrost pola magnetycznego na zewnątrz uzyskuje się poprzez wykonanie odpowiednich nacięć w rdzeniu elektromagnesu. dr Sławomir Wronka, IPJ

36 dr Sławomir Wronka, IPJ

37 Cyklotron izochronicznyModyfikacja taka upraszcza układ zasilania w napięcie przyspieszające, które jest generatorem o stałej częstotliwości. Umożliwia pracę ciągłą akceleratora a przez to także zwiększa maksymalną energię możliwą do osiągnięcia oraz natężenie wiązki. dr Sławomir Wronka, IPJ

38 dr Sławomir Wronka, IPJ

39 Synchrocyklotron /fazotron/Aby skompensować relatywistyczny wzrost masy – możemy zmienić częstotliwość RF Np. CERN, 600MeV, 30.6MHz – 16.6MHz, obiegów protonów, przyrost energii 20keV/obieg. dr Sławomir Wronka, IPJ

40 Synchrotron Jeśli zsynchronizowana zostanie częstość obiegu cząstek w pierścieniu akceleracyjnym z częstością zmiany pól: elektrycznego i magnetycznego, to proces akceleracji może odbywać się bez zmiany promienia okręgu po którym krążą cząstki. /Oliphant 1943/ dr Sławomir Wronka, IPJ

41 Synchrotron Na obwodzie umieszczamy: Wnęki przyspieszające RF MagnesyUrządzenia dodatkowe dr Sławomir Wronka, IPJ

42 Duże akceleratory Storage rings Colliders 21.05.2007dr Sławomir Wronka, IPJ

43 Dlaczego duże akceleratory ?Każda cząstka zakrzywiana w polu magnetycznym wypromieniowuje energię – promieniowanie synchrotronowe Moc strat ~ 1/(r2*m04) dr Sławomir Wronka, IPJ

44 Koncepcja „Luminosity” = „Świetlność”Zderzamy dwie wiązki, prawdopodobieństwo interakcji ~ N2/A Zderzamy je f razy na sekundę Ilość oddziaływań ~ f * N2/A MIN MAX dr Sławomir Wronka, IPJ

45 dr Sławomir Wronka, IPJ

46 Przyspieszanie cząstek dr Sławomir Wronka, IPJ

47 Ogniskowanie słabe dr Sławomir Wronka, IPJ

48 Ogniskowanie silne dr Sławomir Wronka, IPJ

49 Magnesy kwadrupolowe dr Sławomir Wronka, IPJ

50 Synchrotron Na obwodzie umieszczamy: Wnęki przyspieszające RFMagnesy zakrzywiające Elementy skupiające – magnesy kwadrupolowe Pompy próżniowe (zła próżnia = pogorszenie parametrów wiązki, fałszywe wyniki exp., spadek wydajności) Monitory wiązki dr Sławomir Wronka, IPJ

51 LHC – parametry Synchrotron – R=const 21.05.2007Elena Wildner dr Sławomir Wronka, IPJ

52 Przyspieszanie polem elektrostatycznymPrzyspieszanie polem wcz Akcelerator liniowy Wideroe Cockcroft Walton Cyclotron Lawrence Van Der Graff Synchrotron Oliphant Synchrocyclotron McMillan and Veksler Alvarez Linac Strong Focusing Courant and Snyder

53 Podsumowanie Przyspieszamy cząstki we wnękach rezonansowych polem RFKierunek ruchu modyfikujemy polem B Akcelerator liniowy – tylko jedno przejście Akcelerator kołowy – wielokrotne przyspieszanie Zwiększanie promienia zmniejsza straty dr Sławomir Wronka, IPJ

54 Elena Wildner dr Sławomir Wronka, IPJ