docAkcelerator - Indico
download 
Reklamacja Transkrypt
Akcelerator - Indico
Introduction to accelerators Wstęp ęp do fizyki y akceleratorów Sławomir Wronka, 27.11.2007r Akcelerator – co to takiego ? 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Akcelerator - definicja Akcelerator Ak l t tto urządzenie d i do d przyspieszania i i cząstek, w którym możemy kontrolować parametry wiązki Przyspieszanie odbywa się za pomocą pola elektrycznego Tylko cząstki niosące ładunek Do D skupienia k i i cząstek t k w wiązkę i k oraz do d nadania d i iim pożądanego kierunku używa się odpowiednio ukształtowanego w niektórych konstrukcjach także ukształtowanego, zmieniającego się w czasie, pola magnetycznego lub elektrycznego 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Domowy akcelerator: kineskop TV Elektrony są przyspieszane w próżni w kierunku dodatnio naładowanej elektrody. Pola elektromagnetyczne prowadzą p o ad ą wiązkę ą ę do e ekranu. a u W miejscach, gdzie wiązka uderza, ekran robi się jasny, budując w ten sposób obraz. 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Akceleratory – zastosowania Badania naukowe Medycyna y y Przemysł ……. 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Akceleratory – zastosowania Accelerators in the world (2002) D.Brandt, 2004 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Ładunek w polu elektrycznym Różnica potencjałów powoduje ruch ładunków – cząstki nabierają energii. Miarąą energii g cząstki ą jjest elektronowolt (eV). ( ) Różnica potencjałów 1 V powoduje przyspieszenie elektronu do energii 1 eV. 1 eV to bardzo b d mało: ł Światło widzialne: 1,5 – 3,5 eV Telewizor: T l i 20 keV k V (20 000 eV) V) 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Ruch cząstki w polu elektrycznym 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ P l elektryczne Pole l kt powoduje d j zmianę i energii kinetycznej mv 2 mv02 − = q ⋅U 2 2 Np. dla elektronu 2q → v = v0 + ⋅U m v = v 0 + 593 U [km / s ] Dla U = 25kV → v ≈ v 0 + 93 762 [km / s ] 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Wyższe energie? Potrzebowalibyśmy sporo baterii! Połączenie P ł i w szeregu 6 milionów baterii R6, jedna za drugą, gą, dała by y różnicęę potencjałów 9 milionów wolt – elektron mógłby być przyspieszony do energii 9 MeV! Niestety, taki układ (gdyby był możliwy do zrealizowania) miałby i łb 300 kil kilometrów tó długości. 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Elektron El kt dostający d t j się i w obszar b pola l skośnie do indukcji j B porusza p sięę ppo torze spiralnym o promieniu r i skoku h. Pole magnetyczne nie zmienia energii kinetycznej elektronu, elektronu zmienia jedynie kierunek jego ruchu. 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Odkrycie promieniowania X Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) Bertha Röntgen’s Hand 8 Nov, 1895 Modern radiograph of a hand Akceleratory – zasada działania Metody DC Akceleratory liniowe Akceleratory kołowe 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Akceleratory DC Cząstka nabiera energii poruszając się pomiędzy dwoma potencjałami ΔV=V-V ΔV=V V0. • Wiązka ą p przechodzi tylko y raz • Im wyższy potencjał tym większa energia 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ 1930’ 1930 193 0’ – pierwszy akcelerator 0 Cockcroftk f Walton. l 400kV 200kV 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Generator Van de Graaffa 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Akceleratory liniowe wcz Metoda Wideröe źródło T1 T2 T3 T4 T5 T5 • Cząstki przyspieszane pomiędzy komorami dryfowymi • Konieczność coraz dłuższych komór • Ograniczenia: rozmiary (dla 7MHz, proton 1MeV pokonuje 2m/cykl), straty radiacyjne dla wyższych częstotliwości 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Metoda d Wideröe d 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Metoda Alvareza Zamykamy przestrzeń przyspieszania we wnęce o dobranej częstotliwości rezonansowej 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Metoda Alvareza Pierwszy akcelerator Alvareza zbudowany został w 1946r. Przyspieszał protony do energii 32 MeV, zasilany l ze źródła dł 200MHz. Używane do dziś dla ciężkich cząstek. 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Przyspieszanie cząstek relatywistycznych czyli elektronów relatywistycznych, v/c / 10 keV 100 keV 1 MeV 5 MeV 10 MeV 1GeV 2007-11-27 Elektron 0,195 0,548 ,9 0,941 0,996 0 999 0,999 Proton 0,0046 0,0147 0,0465 , 0,1026 0 1451 0,1451 ~11 !!! dr Sławomir Wronka, IPJ Przyspieszanie elektronów Wysoka częstotliwość, ponieważ duża prędkość ! Fala a a 10cm 0c – 3000 MHz M 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Przyspieszanie elektronów Pomysł – może wystarczy wziąć falowód ? Elektrony będą przyspieszać wraz z poruszającą się falą. f l 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Przyspieszanie elektronów Pomysł – może wystarczy wziąć falowód ? Elektrony będą przyspieszać wraz z poruszającą się falą. f l Tak, ale jest mały problem – fala elektromagnetyczna g y og głównejj składowejj pola p E „do przodu” porusza się ZA SZYBKO w kołowych y lub p prostokątnych ą y falowodach. 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Przyspieszanie elektronów Dyski o odpowiedniej średnicy zapewniają „zwolnienie zwolnienie” rozprzestrzeniania się fali tak tak, aby zapewnić prędkość porównywalną z prędkością cząstek (v~c) (v c) 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Przyspieszanie elektronów Standing wave 2007-11-27 Moving wave dr Sławomir Wronka, IPJ Przyspieszanie jeszcze raz ☺ 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ A tak przy okazji – skąd wziąć cząstki ? 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Akceleratory kołowe wcz Ruch czą cząstki w polu magnetycznym 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Ruch czą cząstki w polu magnetycznym Wartość siły y Lorenza: Sił skierowana Siła ki j t prostopadle jest t dl do d wektora kt prędkości dk ś i Siła Lorenza to siła dośrodkowa 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Ruch cząstki w polu magnetycznym Okres ruchu: Częstość kołowa: Częstość cyklotronowa niezależna od prędkości 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Cyklotron /Lawrence /Lawrence, 1932/ Nagroda Nobla 1939 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Cyklotron Cząstki w polu magnetycznym elektromagnesu (nabiegunniki zwane d duantami) ) Zmienne p pole wcz w szczelinie Ruch cząstki zsynchronizowany z polem przyspieszającym p y p ją y – 10-30 MHz. Relatywistyczny przyrost masy rozsynchronizowuje cały proces – limit energetyczny… 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Cyklotron kl Np Protony – do 10MeV Np. NIE DO ELEKTRONÓW 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Cyklotron 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Cyklotron kl izochroniczny h Cyklotron izochroniczny - akcelerator z azymutalną modulacją pola - cyklotron, skonstruowany k tak kb by czas jednego d obiegu b rozpędzanych cząstek był stały (stąd nazwa izochroniczny) h ) pomimo wzrostu masy cząstki k wywołanej efektami relatywistycznymi, które występują przy rozpędzaniu d cząstek kd do prędkości porównywalnych z prędkością światła. ł 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Cyklotron kl izochroniczny h Stały czas obiegu uzyskuje się poprzez odpowiednie ukształtowanie pola magnetycznego zakrzywiającego k tor ruchu h cząstek. Wzrost pola magnetycznego na zewnątrz uzyskuje k się poprzez wykonanie k odpowiednich nacięć w rdzeniu elektromagnesu. l k 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Cyklotron kl izochroniczny h Modyfikacja taka upraszcza układ zasilania w napięcie przyspieszające, które jest generatorem o stałej ł częstotliwości. l Umożliwia l pracę ciągłą akceleratora a przez to także zwiększa k maksymalną k l energię możliwą l do d osiągnięcia oraz natężenie wiązki. 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Synchrocyklotron /fazotron/ Aby skompensować relatywistyczny wzrost masy – możemy zmienić częstotliwość RF Np. CERN, C N, 600MeV, 30.6MHz 30.6M – 16.6MHz, 6.6M , 30000 obiegów protonów, przyrost energii 20keV/obieg. / g 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Synchrotron Jeśli zsynchronizowana zostanie częstość obiegu g cząstek ą w pierścieniu p akceleracyjnym z częstością zmiany pól: elektrycznego y g i magnetycznego, g y g to proces akceleracji może odbywać się bez zmiany promienia okręgu ęg po którym y krążą ą ą cząstki. ą /Oliphant 1943/ 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Synchrotron h Na obwodzie b d umieszczamy: Wnęki W ki przyspieszające i j RF Magnesy Urządzenia dodatkowe 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Duże akceleratory Storage rings Colliders 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Dlaczego duże akceleratory ? Każda cząstka zakrzywiana w polu magnetycznym wypromieniowuje energię – promieniowanie synchrotronowe h S Straty ~ E4/(r /( 2*m04) 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ 1 MeV/obrót dla 10 GeV 2.5 GeV/obrót dla 100 GeV 156 GeV/obrót dla 500 GeV (me/mp)4 ~10-13 Koncepcja „Luminosity” = „Świetlność” Zderzamy dwie wiązki, prawdopodobieństwo i t k ji ~ N2/A interakcji Zderzamy je f razy na sekundę Ilość oddziaływań ~ f * N2/A MIN MAX 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Przyspieszanie cząstek 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Magnesy Utrzymywanie wiązki na stałej orbicie p → Dipole Np. LEP P = 100 G GeV/c V/ ρ = 27 Km B = 0.0775 Tesla 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Ogniskowanie słabe 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Ogniskowanie silne 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Magnesy kwadrupolowe I inne… 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Solenoid 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Synchrotron Na obwodzie umieszczamy: Wnęki p przyspieszające y p j RF Magnesy zakrzywiające Elementy skupiające – magnesy kwadrupolowe Pompy Pomp próżniowe ((zła ła próżnia = pogors pogorszenie enie parametrów wiązki, fałszywe wyniki exp., spadek wydajności) Monitory wiązki 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ LHC – parametry Synchrotron – R=const LEP P = 100 GeV/c ρ = 27 Km B = 0.0775 Tesla Elena Wildner 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Przyspieszanie polem elektrostatycznym l kt t t Cockcroft Walton Przyspieszanie polem wcz Akcelerator liniowy Wideroe Cyclotron Lawrence Van Der Graff Synchrotron Oliphant Synchrocyclotron McMillan and Veksler Alvarez Linac Strong Focusing Ze względu na sposób przyśpieszenia cząsteczek, a wiec i budowę, budowę akceleratory dzielimy na liniowe i kołowe. Pierścień zapewnia stopniowe przyspieszanie i cząsteczki mogą krążyć wewnątrz niego wiele razy, niestety y naładowane cząsteczki ą tracą ą energie g na skutek promieniowania powstałego podczas ruchu po krzywej. Maksymalnie zredukowanie tego efektu wymaga zbudowania b d wiraży o wielkim lk promieniu łuku. MAGNESY ! Poruszanie się po linii l prostej usuwa tę niedogodność. Pociąga jednak konieczność stosowania bardzo wydajnych sposobów przyspieszania, bowiem cząsteczka przebiega przez urządzenie tylko jeden raz raz. RF ! 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Podsumowanie Przyspieszamy cząstki we wnękach rezonansowych polem RF Kierunek ruchu modyfikujemy polem B Akcelerator kce e ato liniowy owy – ty tylko ko jed jedno op przejście ejśc e Akcelerator kołowy – wielokrotne przyspieszanie Zwięks anie promienia zmniejsza Zwiększanie mniejs a straty strat 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Elena Wildner 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ Dziękuję za uwagę Ale fajny ten akcelerator… 2007-11-27 dr Sławomir Wronka, IPJ
Podobne dokumenty
I td ti tlt I td ti tlt Introduction to accelerators Wstęp do - Indico
Cyklotron izochroniczny - akcelerator z
Akceleratory do terapii niekonwencjonalnych
się związki boru (10B), osadzane możliwie
selektywnie w tkance nowotworowej. Następnie
napromieniowuje się pacjenta wiązką
neutronów; w wyniku reakcji z jądrami10B
powstają cząstki alfa i jony 7Li....
