1 Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akceleratorówSławomir Wronka, r
2 dr Sławomir Wronka, IPJ
3 Pojęcia podstawowe Prędkość światła Energia Pęd Relacja E-pEnergia kinetyczna Równanie ruchu pod działaniem sił Lorentza
4 Pojęcia podstawowe Ładunek elektronu Elektronowolt Energia w eVMasa spoczynkowa Elektron Proton Neutron
5 Ruch cząstek w polu elektromagnetycznymPod działaniem siły Lorentza Pole magnetyczne nie zmienia energii cząstek. Może to zrobić tylko pole elektryczne.
6 Akcelerator – co to takiego ? dr Sławomir Wronka, IPJ
7 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
8 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
9 Pole elektryczne powoduje zmianę energii kinetycznejNp. dla elektronu dr Sławomir Wronka, IPJ
10 Akceleratory – zastosowaniaBadania naukowe Medycyna Przemysł ……. dr Sławomir Wronka, IPJ
11 Akceleratory – zastosowaniaAccelerators in the world (2002) D.Brandt, 2004 dr Sławomir Wronka, IPJ
12 Ładunek w polu elektrycznymRóżnica potencjałów powoduje ruch ładunków – cząstki nabierają energii. Miarą energii cząstki jest elektronowolt (eV). Różnica potencjałów 1 V powoduje przyspieszenie elektronu do energii 1 eV. 1 eV to bardzo mało Telewizor: 20 keV ( eV) dr Sławomir Wronka, IPJ
13 A ile to 7 TeV ? 7 TeV LHC Proton = Lecący Komar 2017-04-08dr Sławomir Wronka, IPJ
14 Wyższe energie? Potrzebowalibyśmy sporo baterii!Połączenie w szeregu 6 milionów baterii R6, jedna za drugą, dała by różnicę potencjałów 9 milionów wolt – elektron mógłby być przyspieszony do energii 9 MeV! Niestety, taki układ (gdyby był możliwy do zrealizowania) miałby 300 kilometrów długości. dr Sławomir Wronka, IPJ
15 Elektron dostający się w obszar pola skośnie do indukcji B porusza się po torze spiralnym o promieniu r i skoku h. Pole magnetyczne nie zmienia energii kinetycznej elektronu, zmienia jedynie kierunek jego ruchu. dr Sławomir Wronka, IPJ
16 dr Sławomir Wronka, IPJ
17 Akceleratory – zasada działaniaMetody DC Akceleratory liniowe wcz Akceleratory kołowe wcz dr Sławomir Wronka, IPJ
18 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
19 1930’ – pierwszy akceleratorCockcroft- Walton. 400kV 200kV dr Sławomir Wronka, IPJ
20 Generator Van de Graaffa dr Sławomir Wronka, IPJ
21 dr Sławomir Wronka, IPJ
22 dr Sławomir Wronka, IPJ
23 Akceleratory liniowe wcz
24 Metoda Wideröe Cząstki przyspieszane pomiędzy komorami dryfowymiźródło 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
25 Metoda Alvareza Zamykamy przestrzeń przyspieszania we wnęce o dobranej częstotliwości rezonansowej dr Sławomir Wronka, IPJ
26 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. dr Sławomir Wronka, IPJ
27 Przyspieszanie cząstek relatywistycznych, czyli elektronówv/c me = MeV/c2 mp = MeV/c2 mja = 4.5 × 1037 eV/c2 dr Sławomir Wronka, IPJ
28 Przyspieszanie elektronówPomysł – może wystarczy wziąć falowód ? Elektrony będą przyspieszać wraz z poruszającą się falą. dr Sławomir Wronka, IPJ
29 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
30 Przyspieszanie elektronówDyski o odpowiedniej średnicy zapewniają „zwolnienie” rozprzestrzeniania się fali tak, aby zapewnić prędkość porównywalną z prędkością cząstek (v~c) dr Sławomir Wronka, IPJ
31 Przyspieszanie elektronówStanding wave Moving wave dr Sławomir Wronka, IPJ
32 Przyspieszanie jeszcze raz dr Sławomir Wronka, IPJ
33 Przyspieszanie cząstek dr Sławomir Wronka, IPJ
34 A tak przy okazji – skąd wziąć protony ?Źródło protonów = gazowy wodór Gas in Plasma Ions out Anode Cathode
35 Skąd wziąć inne cząstki ?Źródło elektronów = powierzchnia metali Iris Cathode Electron beam Voltage p protons Collection of antiprotons p Target
36 Akceleratory kołowe wcz
37 Ruch cząstki w polu magnetycznym dr Sławomir Wronka, IPJ
38 Ruch cząstki w polu magnetycznymWartość siły Lorenza: Siła skierowana jest prostopadle do wektora prędkości Siła Lorenza to siła dośrodkowa dr Sławomir Wronka, IPJ
39 Ruch cząstki w polu magnetycznymOkres ruchu: Częstość kołowa: Częstość cyklotronowa niezależna od prędkości dr Sławomir Wronka, IPJ
40 Cyklotron /Lawrence, 1930’/Nagroda Nobla 1939 dr Sławomir Wronka, IPJ
41 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
42 Cyklotron Np. Protony – do 10MeV NIE DO ELEKTRONÓW v/c m/m0 dr Sławomir Wronka, IPJ
43 Cyklotron dr Sławomir Wronka, IPJ
44 Cyklotron izochronicznyCyklotron izochroniczny - akcelerator z azymutalną modulacją pola. Czas jednego obiegu rozpędzanych cząstek jest stały pomimo wzrostu masy cząstki wywołanej efektami relatywistycznymi. dr Sławomir Wronka, IPJ
45 Cyklotron izochronicznyJak ? Poprzez odpowiednie ukształtowanie pola magnetycznego zakrzywiającego tor ruchu cząstek. Wzrost pola magnetycznego na zewnątrz uzyskuje się poprzez wykonanie odpowiednich nacięć w rdzeniu elektromagnesu. Częstotliwość pozostaje stała. dr Sławomir Wronka, IPJ
46 dr Sławomir Wronka, IPJ
47 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
48 Mikrotron – dedykowany do e-Opóźnienie równe dokładnie jednemu okresowi dr Sławomir Wronka, IPJ
49 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
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 Synchrotron dr Sławomir Wronka, IPJ
52 Magnesy Utrzymywanie wiązki na stałej orbicie → Dipole LEPP = 100 GeV/c ρ = 27 Km B = Tesla LHC P = 7000 GeV/c ρ = 27 Km B = 8.33 Tesla dr Sławomir Wronka, IPJ
53 Magnesy kwadrupolowe I inne… dr Sławomir Wronka, IPJ
54 dr Sławomir Wronka, IPJ
55 dr Sławomir Wronka, IPJ
56 LHC – parametry Synchrotron – R=const LEP P = 100 GeV/c ρ = 27 KmB = Tesla Elena Wildner dr Sławomir Wronka, IPJ
57 RF + wiązka w LHC 16 wnęk rezonansowych w 4 modułach 400 MHzKolejne paczki co 25ns → 7.5m Częstotliwość obiegu: f = v/2R = =(3 x 108 m/s) / 27km = = ~ Hz 2.5 ns time Przyrost energii: ~0.5 MeV na obrót. Przyspieszanie od 450 GeV do 7 TeV zajmie ~ 20 minut. dr Sławomir Wronka, IPJ
58 LHC – fakty c.d. 1011 protonów w paczce Paczka ma długość 7.5cm2808 paczek /pełna świetlność/ Energia zgromadzona w wiązce: 300MJ = 150 lasek dynamitu… Konsumpcja mocy – 120MW dr Sławomir Wronka, IPJ
59 LHC: Od pomysłu do realizacji1982 : First studies for the LHC project 1994 : Approval of the LHC by the CERN Council 1996 : Final decision to start the LHC construction 2000 : End of LEP operation 2003 : Start of the LHC installation 2008 : Go ! dr Sławomir Wronka, IPJ
60 Dlaczego duże akceleratory ?Każda cząstka zakrzywiana w polu magnetycznym wypromieniowuje energię – promieniowanie synchrotronowe Straty ~ E4/(r2*m04) 1 MeV/obrót dla 10 GeV 2.5 GeV/obrót dla 100 GeV GeV/obrót dla 500 GeV (me/mp)4 ~10-13 dr Sławomir Wronka, IPJ
61 Co ogranicza energie uzyskiwane w akceleratorach ?W przypadku kołowych akceleratorów protonów: pole magnetyczne Pole magnetyczne musi rosnąc wraz ze wzrostem energii wiązki. W praktyce nie jesteśmy w stanie wytworzyć pól silniejszych niż T. Ogranicza to dostępne energie… W przypadku protonów akcelerator liniowy musiałby być wielokrotnie większy niż akcelerator kolowy. Aby uzyskiwać coraz wyższe energie zderzających sie wiązek musimy budować coraz większe i większe akceleratory. Andrzej Siemko, CERN
62 Co ogranicza energie uzyskiwane w akceleratorach ?W przypadku akceleratorów kołowych e+- : pole przyśpieszające Elektrony krążące po orbicie trącą energie na promieniowanie synchrotronowe. Średnia energia tracona na jeden obieg: ΔE ~ E4/R Energia która możemy dostarczyć jest proporcjonalna do obwodu akceleratora i średniego pola ε Δ E ~ 2ΠR< ε > LEP (obwód 27 km) był (prawdopodobnie) ostatnim akceleratorem kołowym e+-. Dalej bardziej opłacalne są akceleratory liniowe: Emax ~ L < ε > Andrzej Siemko, CERN
63 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
64 dr Sławomir Wronka, IPJ
65 Co nas czeka w przyszłości ? dr Sławomir Wronka, IPJ
66 Co dalej ? Akcelerator liniowy e+e-bang! e+ e- ~15-20 km VLHC ? TeV, 233km dr Sławomir Wronka, IPJ
67 Podsumowanie Przyspieszamy cząstki w polach elektrostatycznych i we wnękach rezonansowych polem RF Kierunek ruchu modyfikujemy polem B Akcelerator liniowy – tylko jedno przejście czastek Akcelerator kołowy – wielokrotne przyspieszanie Zwiększanie promienia zmniejsza straty i umożliwia uzyskiwanie większych energii, stąd potrzeba dużych akceleratorów dr Sławomir Wronka, IPJ
68 Akceleratory Wczoraj Dziś dr Sławomir Wronka, IPJ
69 Elena Wildner dr Sławomir Wronka, IPJ
70 Dziękuję za uwagę Tato, gdzie mój proton…? 2017-04-08dr Sławomir Wronka, IPJ