Sławomir Wronka, r

Podobne dokumenty
Theory Polish (Poland)

Wybrane zagadnienia fizyki jądrowej i cząstek elementarnych. Seweryn Kowalski

Akceleratory (Å roda, 16 marzec 2005) - Dodał wtorek

Wstęp do akceleratorów

Jak fizycy przyśpieszają cząstki?

Akceleratory. Urządzenia do wytwarzania strumieni cząstek o znacznej energii kinetycznej

Wstęp do fizyki akceleratorów

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW

Wiązka elektronów: produkcja i transport. Sławomir Wronka

Wstęp do Akceleratorów wykład dla uczniów. Mariusz Sapiński CERN, Departament Instrumentacji Wiązki 22 marca 2010

Metody liniowe wielkiej częstotliwości

Wstęp do Akceleratorów wykład dla nauczycieli. Mariusz Sapiński CERN, Departament Wiązek 12 kwietnia 2010

cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

DLACZEGO BUDUJEMY AKCELERATORY?

dr inż. Zbigniew Szklarski

Akceleratory. Instytut Fizyki Jądrowej PAN 1

Ruch ładunków w polu magnetycznym

Źródła czastek. Wszechświat Czastek Elementarnych. Wykład 7. prof. dr hab. Aleksander Filip Żarnecki

Elementy fizyki czastek elementarnych

5. (2 pkt) Uczeń miał za zadanie skonstruował zwojnicę do wytwarzania pola magnetycznego o wartości indukcji

Ramka z prądem w jednorodnym polu magnetycznym

Źródła cząstek. Naturalne: Sztuczne. Promieniowanie kosmiczne Różne źródła neutrin. Akceleratory Reaktory. D. Kiełczewska wykład 2

Akceleratory do terapii niekonwencjonalnych. Sławomir Wronka

Metody i narzędzia. Tydzień 2

Fizyka cząstek elementarnych

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników

Źródła czastek. Wszechświat Czastek Elementarnych. Wykład 4. prof. dr hab. Aleksander Filip Żarnecki

Wstęp do Akceleratorów. Mariusz Sapiński CERN BE/BI 24 listopada 2009

MAGNETYZM. PRĄD PRZEMIENNY

Ruch cząstek naładowanych w polach elektrycznym i magnetycznym. Równania ruchu cząstek i ich rozwiązania. Ireneusz Mańkowski

Eksperyment ALICE i plazma kwarkowo-gluonowa

Fizyka cząstek elementarnych. Tadeusz Lesiak

WSTĘP DO FIZYKI JADRA ATOMOWEGOO Wykład 12. IV ROK FIZYKI - semestr zimowy Janusz Braziewicz - Zakład Fizyki Atomowej IF AŚ

Słowniczek pojęć fizyki jądrowej

V.6 Pęd i energia przy prędkościach bliskich c

Akceleratory Cząstek

II prawo Kirchhoffa Obwód RC Obwód RC Obwód RC

UNIWERSYTET MIKOŁAJA KOPERNIKA W TORUNIU

IV.4.4 Ruch w polach elektrycznym i magnetycznym. Siła Lorentza. Spektrometry magnetyczne

SCENARIUSZ LEKCJI FIZYKI Z WYKORZYSTANIEM FILMU PĘDZĄCE CZĄSTKI.

Jak działają detektory. Julia Hoffman

Źródła cząstek. Naturalne: Sztuczne. Promieniowanie kosmiczne Różne źródła neutrin. Akceleratory Reaktory. D. Kiełczewska wykład 2 1

W jaki sposób dokonujemy odkryć w fizyce cząstek elementarnych? Maciej Trzebiński

Źródła cząstek o wysokich energiach. Promieniowanie kosmiczne. Akceleratory. Ograniczenia na energię maksymalną. Parametry wiązek.

Wykład FIZYKA II. 3. Magnetostatyka. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

39 DUALIZM KORPUSKULARNO FALOWY.

V.6.6 Pęd i energia przy prędkościach bliskich c. Zastosowania

41R POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNY Z FIZYKI I ASTRONOMII. POZIOM ROZSZERZONY (od początku do końca)

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania fizyka, wzory fizyka, matura fizyka

Źródła czastek. Wszechświat Czastek Elementarnych. Wykład 8. prof. dr hab. Aleksander Filip Żarnecki

Ruch ładunków w polu magnetycznym

Wprowadzenie do zagadnień akceleratorów elektronów. Janusz Harasimowicz

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

AKCELERATORY I DETEKTORY WOKÓŁ NAS

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

Wyznaczanie stosunku e/m elektronu

MAGNETYZM, INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA. Zadania MODUŁ 11 FIZYKA ZAKRES ROZSZERZONY

26 MAGNETYZM. Włodzimierz Wolczyński. Indukcja magnetyczna a natężenie pola magnetycznego. Wirowe pole magnetyczne wokół przewodnika prostoliniowego

Odp.: F e /F g = 1 2,

Materiały pomocnicze 11 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

WSTĘP DO FIZYKI CZĄSTEK. Julia Hoffman (NCU)

Matura z fizyki i astronomii 2012

Źródła cząstek o wysokich energiach

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

2.2. Wiązki promieniowania jonizującego

Wykład 8 ELEKTROMAGNETYZM

Fizyka 2 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

zadania zamknięte W zadaniach od 1. do 10. wybierz i zaznacz jedną poprawną odpowiedź.

LVIII OLIMPIADA FIZYCZNA ZAWODY II STOPNIA

Elektrostatyka ŁADUNEK. Ładunek elektryczny. Dr PPotera wyklady fizyka dosw st podypl. n p. Cząstka α

Szczególna i ogólna teoria względności (wybrane zagadnienia)

Światło fala, czy strumień cząstek?

Promieniowanie X. Jak powstaje promieniowanie rentgenowskie Budowa lampy rentgenowskiej Widmo ciągłe i charakterystyczne promieniowania X

Elementy fizyki czastek elementarnych

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Mechanika relatywistyczna Wykład 13

Epiphany Wykład II: wprowadzenie

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

Oddziaływania fundamentalne

Elementy fizyki czastek elementarnych

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

RÓWNANIA MAXWELLA. Czy pole magnetyczne może stać się źródłem pola elektrycznego? Czy pole elektryczne może stać się źródłem pola magnetycznego?

Jak działają detektory. Julia Hoffman# Southern Methodist University# Instytut Problemów Jądrowych

Rozważania rozpoczniemy od fal elektromagnetycznych w próżni. Dla próżni równania Maxwella w tzw. postaci różniczkowej są następujące:

Janusz Gluza. Instytut Fizyki UŚ Zakład Teorii Pola i Cząstek Elementarnych

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

Ładunki elektryczne. q = ne. Zasada zachowania ładunku. Ładunek jest cechąciała i nie można go wydzielićz materii. Ładunki jednoimienne odpychają się

OPTYKA. Leszek Błaszkieiwcz

Elementy fizyki czastek elementarnych

Cząstki i siły. Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

Podstawy Fizyki Jądrowej

Zderzenia. Fizyka I (B+C) Wykład XVI: Układ środka masy Oddziaływanie dwóch ciał Zderzenia Doświadczenie Rutherforda

Elektron i proton jako cząstki przyspieszane

Fizyka współczesna. Pracownia dydaktyki fizyki. Instrukcja dla studentów. Tematy ćwiczeń

Podstawy fizyki sezon 2 4. Pole magnetyczne 1

Rozdział 3. Pole magnetyczne

Perspektywy fizyki czastek elementarnych

Seminarium. -rozpad α -oddziaływanie promienowania z materią -liczniki scyntylacyjne. Konrad Tudyka

dr inż. Zbigniew Szklarski

Transkrypt:

Introduction to accelerators Wstęp do fizyki akceleratorów Sławomir Wronka, 01.04.09r

Pojęcia podstawowe Prędkość światła Energia Pęd c = 2.99792458 10 E = mc 2 = m γ c p = mv = m0γ β c 0 2 8 msec v 1 β = γ = ultrarelatywistyczne czastki β 1 E pc c 2 1 β 1 Relacja E-p Energia kinetyczna E c T 2 2 = p 2 + m 2 0 c 2 2 2 = E m c = m c ( γ 1) 0 0 Równanie ruchu pod działaniem sił Lorentza r dp dt r d r = f m0 γ dt r r r ( v) = q( E + v B)

Pojęcia podstawowe 19 Ładunek elektronu e = 1.6021 10 C l b Elektronowolt Energia w ev Masa spoczynkowa Elektron Proton Neutron 1eV = E [ ev] 16021. 10 = mc e 2 = Coulombs -19 m0γ c e joule 2 m0 = 511.0 kev c = 9.109 10 2 m0 = 938.3MeV3MeV c = 1.673 10 2 m0 = 939.6 MeV c = 1.675 10 2-31 -27-27 kg kg kg

Ruch cząstek w polu elektromagnetycznym r dp dt Pod działaniem siły Lorentza = q [ E + v B ] E 2 = r p 2 c 2 de E dt de = dt + m = c 4 c r r dp p dt r r p E 2 0 2 2 2 qc E r r ( + v B) = p E r qc E r r r r Pole magnetyczne nie zmienia energii cząstek. Może to zrobić tylko pole elektryczne.

Akcelerator co to takiego?

Akcelerator - definicja Akcelerator to urządzenie ą do przyspieszania p 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 u używa sę się odpowiednio o ukształtowanego, w niektórych konstrukcjach także zmieniającego się w czasie, pola magnetycznego lub elektrycznego

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.

Pole elektryczne powoduje zmianę energii kinetycznej mv mv 2 2 2 0 2 = q U v = v 2 0 + 2q m U Np. dla elektronu [ km s] v =593 U / DlaU = 20 kv v 71133 [ km / s ]

Akceleratory zastosowania Badania naukowe Medycyna Przemysł.

Akceleratory zastosowania Accelerators in the world (2002) D.Brandt, 2004

Ładunek w polu elektrycznym Różnica potencjałów powoduje ruch ładunków cząstki ą 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 (20 000 ev)

A ile to 7 TeV? 7 TeV LHC Proton = Lecący Komar

Wyższe energie? Potrzebowalibyśmy ś sporo baterii! Połączenie ą 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.

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 jg ruchu.

Akceleratory zasada działania Metody DC Akceleratory liniowe wcz Akceleratory kołowe wcz

Akceleratory DC Cząstka nabiera energii poruszając się pomiędzy dwoma potencjałami ΔV=V-V 0. Wiązka przechodzi tylko raz Im wyższy potencjał tym większa energia

1930 pierwszy akcelerator Cockcroft- Walton. 400kV 200kV

Generator Van de Graaffa

Akceleratory liniowe wcz

Metoda Wideröe źródło T1 T2 T3 T4 T5 Cząstki przyspieszane pomiędzy komorami dryfowymi Konieczność coraz dłuższych komór Ograniczenia: rozmiary (dla 7MHz, proton 1MeV pokonuje 2m/cykl), straty radiacyjne dla wyższych częstotliwości

Metoda Alvareza a Zamykamy przestrzeń przyspieszania we wnęce o dobranej częstotliwości rezonansowej

Metoda Alvareza Pierwszy akcelerator Alvareza zbudowany został w 1946r. Przyspieszał protony do energii 32 MeV, zasilany ze źródła 200MHz. Używane do dziś dla ciężkich ę cząstek. ą

Przyspieszanie cząstek relatywistycznych, czyli elektronów V/c 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 v/c 0.9 V/c 1 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Electron Proton 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Proton Energia [MeV] 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Energia [MeV] m e = 0.511 MeV/c 2 m p = 938 MeV/c 2 m ja = 4.5 10 37 ev/c 2

Przyspieszanie elektronów Pomysł może wystarczy wziąć falowód? Elektrony będą przyspieszać wraz z poruszającą się falą.

Przyspieszanie elektronów Pomysł może wystarczy wziąć falowód? Elektrony będą przyspieszać wraz z poruszającą się falą. Tak, ale jest mały yproblem fala elektromagnetyczna o głównej składowej pola E do przodu porusza się ZA SZYBKO w kołowych ł hlub prostokątnych hfalowodach.

Przyspieszanie elektronów Dyski o odpowiedniej średnicy yzapewniają zwolnienie rozprzestrzeniania się fali tak, aby zapewnić prędkość porównywalną z prędkością cząstek (v~c)

Przyspieszanie elektronów Standing wave Moving wave

Przyspieszanie jeszcze raz

Przyspieszanie cząstek

A tak przy okazji skąd wziąć protony? Źródło protonów = gazowy wodór Gas in Plasma Ions out Cathode Anode 2009-04-01

Skąd wziąć inne cząstki? Źródło elektronów = powierzchnia metali Iris Cathode Electron beam Voltage p protons Collection of antiprotons p 2009-04-01 Target

Akceleratory kołowe wcz

Ruch cząstki w polu magnetycznym

Ruch cząstki w polu magnetycznym Wartość siły Lorenza: Siła skierowana jest prostopadle do wektora prędkości Siła Lorenza to siła dośrodkowa

Ruch cząstki w polu magnetycznym Okres ruchu: Częstość kołowa: Częstość cyklotronowa niezależna od prędkości

Cyklotron /Lawrence, 1930 / Nagroda Nobla 1939

Cyklotron Cząstki w polu magnetycznym elektromagnesu (nabiegunniki zwane duantami) Zmienne pole wcz w szczelinie Ruch cząstki ą zsynchronizowany yz polem przyspieszającym 10-30 MHz. Relatywistyczny przyrost masy rozsynchronizowuje cały proces limit energetyczny

Cyklotron Np. Protony do 10MeV NIE DO ELEKTRONÓW v/c m/m 0 1 MeV 0,941 2,96

Cyklotron

Cyklotron izochroniczny n Cyklotron izochroniczny - akcelerator z azymutalną modulacją pola. Czas jednego obiegu rozpędzanych cząstek kjest stały ł pomimo wzrostu masy cząstki wywołanej efektami relatywistycznymi. i

Cyklotron izochroniczny n Jak? Poprzez odpowiednie ukształtowanie pola magnetycznego zakrzywiającego tor ruchu cząstek. Wzrost pola magnetycznego na zewnątrz uzyskuje się poprzez wykonanie odpowiednich nacięć w rdzeniu elektromagnesu. lkt Częstotliwość tli pozostaje stała. ł

Synchrocyklotron /fazotron/ Aby skompensować relatywistyczny wzrost masy możemy zmienić częstotliwość RF Np. CERN, 600MeV, 30.6MHz 16.6MHz, 30000 obiegów protonów,,przyrost energii 20keV/obieg.

Fixed Field Alternating Gradient Circular Machines (FFAG) Pole magnetyczne Częstotliwość RF stała Częstotliwość RF zmienna Stałeł Cyklotron klasyczny Synchrocyklotron Zmienne Izochroniczny FFAG Klasyczny, synchrocyklotron izochroniczny FFAG Rob Edgecock

B Izochroniczny FFAG Klasyczny Synchrocyklotron RF

Mikrotron dedykowany do e - Opóźnienie równe dokładnie jednemu okresowi

Synchrotron Jeśli zsynchronizowana zostanie częstość obiegu cząstek w pierścieniu akceleracyjnym y z częstością ę ą zmiany ypól: elektrycznego i magnetycznego, to proces akceleracji może odbywać się bez zmiany promienia okręgu po którym krążą cząstki. /Oliphant 1943/

C.R. Prior

Synchrotron Na obwodzie umieszczamy: Wnęki przyspieszające RF Magnesy zakrzywiające Elementy skupiające magnesy kwadrupolowe Pompy próżniowe (zła próżnia = pogorszenie parametrów wiązki, ą fałszywe wyniki exp., spadek wydajności) Monitory wiązkią

Synchrotron

Magnesy Utrzymywanie wiązki na stałej orbicie Dipole LEP P = 100 GeV/c ρ = 27 Km B = 0.0775 Tesla LHC P = 7000 GeV/c ρ = 27 Km B = 8.33 Tesla

Magnesy kwadrupolowe I inne

CMS Beam dump blocks RF Extracción Momentum Beam Cleaning (warm) IR7: Betatron Beam Cleaning (warm) ALICE LHC-B ATLAS Injection Injection

LHC parametry Synchrotron R=const LEP P = 100 GeV/c ρ = 27 Km B = 0.0775 Tesla Elena Wildner

RF + wiązka w LHC 16 wnęk rezonansowych w 4 modułach 400 MHz 2.5 ns time Kolejne paczki co 25ns 7.5m Częstotliwość obiegu: f = v/2πr = =(3 x 10 8 m/s) / 27km = = ~ 11000 Hz Przyrost energii: ~0.5 MeV na obrót. Przyspieszanie od 450 GeV do 7 TeV zajmie ~ 20 minut.

LHC fakty c.d. 10 11 protonów w paczce Paczka ma długość 7.5cm 2808 paczek /pełna świetlność/ Energia zgromadzona w wiązce: 300MJ = 150 lasek dynamitu Konsumpcja mocy 120MW

LHC: Od pomysłu do realizacji 1982 : 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!

Dlaczego duże akceleratory? Każda cząstka zakrzywiana w polu magnetycznym wypromieniowuje energię promieniowanie synchrotronowe Straty ~ E 4 /(r 2 *m 04 ) 1 MeV/obrót dla 10 GeV 2.5 GeV/obrót dla 100 GeV 156 GeV/obrót dla 500 GeV (m e /m p ) 4 ~10-13

Co ogranicza energie uzyskiwane w akceleratorach? W przypadku kołowych ł akceleratorów protonów: pole magnetyczne Pole magnetyczne musi rosnąc wraz ze wzrostem energii wiązki. W praktyce nie jesteśmy w stanie wytworzyć pól silniejszych niż 9-10 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. 2009-04-01 Andrzej Siemko, CERN

Co ogranicza energie uzyskiwane w akceleratorach? W przypadku akceleratorów kołowych ł e+-: pole przyśpieszające Elektrony krążące ąą po orbicie trącą ą ą energie na promieniowanie synchrotronowe. Średnia energia tracona na jeden obieg: ΔE ~ E 4 /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 > 2009-04-01 Andrzej Siemko, CERN

Koncepcja Luminosity it = Świetlność Ś Zderzamy dwie wiązki, prawdopodobieństwo interakcji ~ N 2 /A Zderzamy je f razy na sekundę Ilość oddziaływań ~ f * N 2 /A MIN MAX N ΔT 2 1 2 [ s ] σ[ cm ] = L cm

Co nas czeka w przyszłości?

Co dalej? Akcelerator liniowy e + e - e + e - ~15-20 km VLHC? 40-200 TeV, 233km

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 ę promienia zmniejsza straty i umożliwia uzyskiwanie większych energii, stąd potrzeba dużych akceleratorów

Wczoraj Akceleratory Dziś

Elena Wildner

Dziękuję za uwagę Tato, gdzie mój proton?