Hochenergetische Teilchenbeschleuniger: LHC - von Jona Bortfeldt am 29. Mai 2008
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Hochenergetische
Teilchenbeschleuniger: LHC
von Jona Bortfeldt
am 29. Mai 2008
Übersicht
● Wie funktionieren Beschleuniger?
● Aus welchen Komponenten bestehen sie?
– Teilchenquellen
– Elektronen, Positronen (LEP), Protonen (LHC), Antiprotonen (TeV),
Ionen (LHC)
– Beschleunigung durch E-Felder
– Einschub: Verschiedene Beschleunigertypen
– Linearbeschleuniger und Kreisbeschleuniger
– Magnete zur Steuerung
– Dipole und Kicker
– Magnete zur Fokussierung
– Kollision und Detektoren
– Strahlentsorgung
● Ausblicke auf die Arbeit des LHC (physics run)
Wie funktionieren Beschleuniger?
● Wozu brauchen wir Beschleuniger?
– Energiequelle zur Erzeugung angeregter Zustände und
von Teilchen
– „Sonde“ zum Auflösen kleinster Strukturen
● Lorentzkraft:
● Kenngrößen
– Schwerpunktsenergie (=> Umfang, Magnet-Feldstärke)
– Verwendete Teilchensorte (LEP: e+,e – hohe
Synchrotronstrahlung; TeV: p, p- eine Röhre; LHC: p, p)
– Luminosität
Teilchenquellen
● Elektronen Atomkern
– Glühemission (W, T > e+
Quelle
2500K) e-
e-
e-
– Feldemission(QM => e haben
eine gewisse Wahrscheinlichkeit, aus Beschleuniger
Material auszutreten. Werden durch B-Feld
starkes E-Feld abgesaugt)
– Photoeffekt
N S N S N S N S
● Positronen e+
Ee ~fest
e- +
– Paarbildung hν fest
– Wiggler (Ie-= 1- 100A) S N S N S N S N
e-
– βˉ-Zerfall (viel zu B-Feld
geringe Intensität) beamdump
Teilchenquellen
● Protonen
– (Pulsweise) Ionisation
H2
von H2 durch Mikro- +
Ubeschl
wellen
– Elektronen werden
+
von Anode abgesaugt p
-
p
– Weitere Beschleu- -
nigung durch Linear-
beschleuniger HF-Quelle,
Magnetron
– LHC: 2808 bunches Turbovakuum-
pumpe
Teilchenquellen
I
● Antiprotonen p,K- +
– Paarbildung nach π+,K0
p
magnetisches Horn
p aus PS
p p/n p p/ n p p p
p
analog zu Positronen, Kupfertarget
p
π-,π0
Rate: 1 aus 5·104 p Wasserkühlung
Oszillationen
– Treten stark divergent
aus Target aus
pickup
– Fokussierung, Abbrem- Verstärkung um Faktor
1015
sung und stochastische
Kühlung notwendig
– Speicherung nötig (TeV) Soll-Orbit
kicker
Teilchenquellen
● Antiprotonen (z.B. TeV)
– Bei p, p- - Kollisionen ist nur eine Röhre nötig
– Äußerst teuer ≈ 570.000 Mrd. Euro / g
– Etwa ein Tag nötig, um ausreichend Antiprotonen für
einen „run“ zu sammeln => lange Wartezeiten/recycling
– Im Vergleich dazu, Vorbereitung LHC ≈ 70 min
● Pb-Ionen (LHC)
– Ionisierung in mehreren Schritten
– Ecm=1150 TeV
– Untersuchung des bei der Kollision entstehenden Quark-
Gluon-Plasmas
Beschleunigung
● Durch hohe E-Felder
● Mit Gleichspannung nur ein
Beschleunigungsvorgang, durch
Durchschlagsspannung begrenzt p
=> Wechselspannung (HF) besser
+ -
● Energiezuwachs ΔE = q ∙ ΔU U
● Damit Teilchen das Umpolen nicht
„sehen“ => Faradayscher Käfig
Verschiedene Beschleunigertypen
● Linearbeschleuniger Uaus
– Cockroft-Walton C4
● Gleichspannung
● Geringe Stromstärke
C3
C2
– Ising/Wideröe => bunches
von Teilchen
U C1
Quelle Uein
0V 0V
L = v ∙ Δt
Verschiedene Beschleunigertypen
● Kreisbeschleuniger
– Zyklotron
● Beschleunigung mit fester HF in
konstantem B-Feld auf vVerschiedene Beschleunigertypen
● Kreisbeschleuniger
– Synchrotron
● Deutlich größere Radien möglich, durch viele Magnete
● Da Radius fest, muss B variieren
● Injektion bei großem v => kleine Variation der HF
●
Wassergekühlte (Kupfer-) Cavities zur Beschleunigung
● In Resonatoren wird TM01-Mode angeregt
Dielektrikum
HF- AntenneAbstrahlung vermeiden
I
Feldemission
vermeidenBeschleunigung am LHC
● Supraleitende Cavities zur Beschleunigung, HF um
400 MHzSteuerung durch Magnete
● Dipolmagnete für Kreisbahn
– Statisches Feld bei Zyklotron, evtl. Shim-Ringe
Sektormagnete
– Variables Feld bei Synchrotron N
● Mit konventionellen Magneten sind in
einem sehr schmalem Spalt maximal 5
T möglich => supraleitende Magnete
– Homogenes Feld gewünscht um
Strahlverluste zu minimieren S
● Shim-Ringe: Materialien mit hoher
magnetischer Permeabilität
● Spezielle Anordnung einzelner
SpulenmoduleSteuerung durch Magnete
● Dipole am LHC
● 1232 Haupt-Dipole
● Magn. Länge: 14,3 m
● Krümmungsradius:
2804 m
●
Anfangsfeld bei 0,54
T und I = 763 A
● Endfeld bei 8,33 T
und I = 11850 A
● Temperatur: 1,9 K
durch superfluides He
=> hohe Wärmeleit-
fähigkeit, geringer
StömungswiderstandSteuerung durch Magnete
● Extreme mechanisch Belastungen: 6200N
● 28/36 Adern pro Kabel mit Ø 1,065/0,825
mm, pro Ader 8900/6500 Drähte mit Ø
7/6 μm
● für homogenes FeldSteuerung durch Magnete
● Septumsmagnete zur In- und
Ejektion
● Gepulst, mit hoher Induktion
(wenige Windungen) zur
Strahlführung
● LHC: 5 zur Inj., horizontale
Ablenkung um 12 mrad=0,7°
● Kickermagnete C
● Gepulst durch Entladung einer
Kapazität, eine Windung
● LHC: 4 zur Inj., vertikale
Ablenkung um 0,85 mradSteuerung durch Magnete
● Zusammenspiel von Septum- und Kickermagnet am
DESY und LHCFokussierung durch Magnete
● Starke Fokussierung durch
Quadrupolpaare
– Quadrupole wirken in einer Ebene de-,
in der anderen fokussierend
– Trick aus geometrischer Optik: System
wirkt immer fokussierend, wenn dFokussierung durch Magnete
● FODO-2in1-
Struktur am
LHC, 392 Q.
● Anordnung gg.
Resonanzen
● Chromatizität
● Zahlreiche Korrektur-Magnete und -Windungen
● Quadrupol MQ mit Dodekapol-Windungen Dod,
●
stimmbarer Quadrupol MQTO mit Oktup.-Windungen
● Dipol mit Sextupol- und Dekapol-Windungen MDSB
● Bei hohen Teilchenverlusten => normalleitende Magn.Kollision und Detektoren
Separation dipoles
Detektor
low-β-Quadrupol-
TriplettsStrahlentsorgung
● Beamdump
● In 88 µs zu absorbierende Energie: 350 MJ, schmilzt 500 kg Cu
● 15 Extraktionskicker (einer redundant) lenken horizontal ab
●
10 Septumsmagnete führen Strahlen vertikal nach oben
● 10 dilutionkicker weiten Strahl auf (oszillierend, e-Form)
● TDE: 0,7 x 7,70m Graphit in gekühltem Stahlmantel in BetonStrahlentsorgung
● Beamdump
● Der Absorber wird aktiviert (≈300 µS/h 1h nach dump)
● Sollten kicker versagen, müssen Kollimatoren den Strahl
(teilweise) absorbieren => TCDQ
● Kollimatoren
● Werden zum passiven
Schutz von Magneten
(quenchen) und anderen
wichtigen Teilen und
zur Strahlsäuberung
verwendet
● „Streifschuss“ I = 70 mAPhysics run
● Quelle -> Linac 2 (50 MeV) -> PS
Booster (1,4 GeV) -> PS (25 GeV) ->
SPS (450 GeV) -> LHC
● Füllen des LHC dauert 4 min 20s
pro Ring, Beschleunigung auf 7 TeV
etwa 20 min
● Speicherung für etliche Stunden
● Dump innerhalb von 2-3 Umläufen
1 2 3 11 12 88 µs
...
3 µs Anstiegszeit
0,94 µs Anstiegszeit dumpkicker
Injektionskicker
Injektionskicker 25 ns
PS Injektionskicker
SPSAusblicke auf LHC
● Suche nach dem Higgs-Boson (Masse)
● Suche nach supersymmetrischen Teilchen (dunkle
Materie, dunkle Energie)
● Materie – Antimaterie – Asymmetrie
● Urknall: Quark-Gluon-Plasma
● Runterkühlen, Magnetfeldtest, Ausrichten der
Magnete, Feintuning
● http://lhc.web.cern.ch/lhc/Cooldown_status.htmVielen Dank für die Aufmerksamkeit! Gibt es Fragen oder Unklarheiten?
Quellen
●
LHC Design Report, http://lhc.web.cern.ch/lhc/
●
Yellow Report-Design Study of the LHC, http://preprints.cern.ch/cgi-
bin/setlink?base=cernrep&categ=Yellow_Report&id=91-03
● LHC, the guide, http://public.web.cern.ch/Public/en/LHC/Facts-
en.html
● R.W. Pohl, Elektrizitätslehre, Springer, 1955
● http://min.desy.de/septum_labor
●
Physik von TeVatron und LHC, Biebel et al. ,
http://homepages.physik.uni-muenchen.de/~Otmar.Biebel/
●
http://cdsweb.cern.ch/search?recid=1069185Sie können auch lesen
