Pobierz prezentację
Pobieranie prezentacji. Proszę czekać
1
Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akcelaratorów czyli Jak to działa
Sławomir Wronka, r
2
Akcelerator – a co to takiego ?
dr Sławomir Wronka, IPJ
3
Akcelerator - definicja
Akcelerator 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 TV
Elektrony 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 – a po co ? 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
Akceleratory – jak ? Metody DC Akceleratory liniowe
Akceleratory kołowe dr Sławomir Wronka, IPJ
8
1 eV = 1.602·10-19 J keV, MeV, GeV, TeV dr Sławomir Wronka, IPJ
9
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
10
1932 – pierwszy akcelerator
Cockcroft- Walton. 400kV 200kV dr Sławomir Wronka, IPJ
11
Generator Van de Graaffa
dr Sławomir Wronka, IPJ
12
dr Sławomir Wronka, IPJ
13
Akceleratory liniowe
14
Metoda Wideröe Cząstki przyspieszane pomiędzy komorami dryfowymi
źródło 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
15
Metoda Wideröe dr Sławomir Wronka, IPJ
16
Metoda Alvareza Zamykamy przestrzeń przyspieszania we wnęce o dobranej częstotliwości rezonansowej dr Sławomir Wronka, IPJ
17
dr Sławomir Wronka, IPJ
18
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
19
Przyspieszanie cząstek relatywistycznych, czyli elektronów
v/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
20
Przyspieszanie elektronów
Wysoka częstotliwość, ponieważ duża prędkość ! Fala 10cm – 3000 MHz dr Sławomir Wronka, IPJ
21
Przyspieszanie elektronów
Pomysł – 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
22
Przyspieszanie elektronów
Dyski o odpowiedniej średnicy zapewniają „zwolnienie” rozprzestrzeniania się fali tak, aby zapewnić prędkość porównywalną z prędkością cząstek (v~c) dr Sławomir Wronka, IPJ
23
Przyspieszanie elektronów
Standing wave Moving wave dr Sławomir Wronka, IPJ
24
A tak przy okazji – skąd wziąć cząstki ?
Butla z wodorem: dr Sławomir Wronka, IPJ
25
Akceleratory kołowe
26
Ruch cząstki w polu magnetycznym
dr Sławomir Wronka, IPJ
27
Ruch cząstki w polu magnetycznym
Wartość siły Lorenza: Siła skierowana jest prostopadle do wektora prędkości Siła Lorenza to siła dośrodkowa dr Sławomir Wronka, IPJ
28
Ładunek w polu magnetycznym
Okres ruchu: Częstość kołowa: Częstość cyklotronowa niezależna od prędkości dr Sławomir Wronka, IPJ
29
Cyklotron /Lawrence, 1932/ Nagroda Nobla 1939 17.04.2007
dr Sławomir Wronka, IPJ
30
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
31
Cyklotron Np. Protony – do 10MeV NIE DO ELEKTRONÓW 17.04.2007
dr Sławomir Wronka, IPJ
32
Cyklotron dr Sławomir Wronka, IPJ
33
Cyklotron izochroniczny
Cyklotron 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
34
Cyklotron izochroniczny
Stały 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 (jak przedstawione na rysunku). dr Sławomir Wronka, IPJ
35
dr Sławomir Wronka, IPJ
36
Cyklotron izochroniczny
Modyfikacja 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
37
dr Sławomir Wronka, IPJ
38
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
39
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. dr Sławomir Wronka, IPJ
40
Synchrotron Na obwodzie umieszczamy: Wnęki przyspieszające RF Magnesy
Urządzenia dodatkowe dr Sławomir Wronka, IPJ
41
Duże akceleratory Storage rings Colliders 17.04.2007
dr Sławomir Wronka, IPJ
42
Dlaczego duże akceleratory ?
Każda cząstka zakrzywiana w polu magnetycznym wypromieniowuje energię – promieniowanie synchrotronowe Moc strat ~ 1/(r2*m04) dr Sławomir Wronka, IPJ
43
Koncepcja „Luminocity” = „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
44
dr Sławomir Wronka, IPJ
45
Przyspieszanie cząstek
dr Sławomir Wronka, IPJ
46
Ogniskowanie słabe dr Sławomir Wronka, IPJ
47
Ogniskowanie silne dr Sławomir Wronka, IPJ
48
Magnesy kwadrupolowe dr Sławomir Wronka, IPJ
49
Synchrotron Na obwodzie umieszczamy: Wnęki przyspieszające RF Magnesy
Elementy skupiające – magnesy kwadrupolowe Pompy próżniowe (zła próżnia = pogorszenie parametrów wiązki, fałszywe wyniki exp., spadek wydajności) Monitory wiązki dr Sławomir Wronka, IPJ
50
dr Sławomir Wronka, IPJ
51
LHC – dlaczego 8,4T ? Synchrotron – R=const 17.04.2007
dr Sławomir Wronka, IPJ
52
Podsumowanie Przyspieszamy cząstki we wnękach rezonansowych polem RF
Kierunek ruchu modyfikujemy polem B Akcelerator liniowy – tylko jedno przejście (ale unikamy kosztownych magnesów) Akcelerator kołowy – wielokrotne przyspieszanie, magnesy Zwiększanie promienia zmniejsza straty Modyfikacja geometrii poprzecznej – grupy kwadrupoli dr Sławomir Wronka, IPJ
53
dr Sławomir Wronka, IPJ
Podobne prezentacje
