Lineární urychlovače Jan Pipek jan.pipek@gmail.com 24.11.2011 Dostupné na http://fjfi.vzdusne.cz/urychlovace
Lineární urychlovače Elektrostatické urychlovače Indukční urychlovače Rezonanční urychlovače Velké lineární urychlovače současnosti (a budoucnosti)
Lineární vs. kruhové urychlovače Výhody Absence synchrotronového záření (elektrony) Nižší nároky na magnetická pole (těžké částice) Možnost kontinuálního zdroje částic Veliký výstupní výkon Nevýhody Potřeba obrovského potenciálového rozdílu na jednotku délky Nemožnost použít urychlené částice vícekrát Lineární urychlovače často slouží jako zdroj částice pro urychlovače kruhové
I. Elektrostatické urychlovače
Elektrostatické urychlovače (1) Principem elektrostatických urychlovačů je vytvoření velikého potenciálového rozdílu, kterým částice právě jednou (či dvakrát v případě tandemového urychlovače) projdou. Celé napětí nebývá aplikováno najednou, ale po krátkých úsecích s dílčími potenciály (oddělené rezistory). Dosáhne se tak lepší homogenity pole. Horní limit pro dosažitelné energie je dán problematickým udržením velkého potenciálového rozdílu mezi nabitými plochami.
Elektrostatické urychlovače (2) (Katodová trubice CRT) Kaskádní generátor (Cockcroft-Waltonův) Van de Graaffův urychlovač Tandemový VdG urychlovač Peletron
Kaskádní generátor (1) Kaskádní generátor využívá struktury kondenzátorů a diod pro kumulaci náboje dodávaného střídavým napětím. Střídavě se nabíjí pozitivní a negativní desky kondenzátoru. Použitím 2N kondenzátorů lze teoreticky dosáhnout Nnásobnému znásobení napětí. Schéma jednoduchého kaskádního generátoru
Kaskádní generátor (2)
Kaskádní generátor (3) Princip navrhli Greinacher (1914) a Schenkel (1919). Cockcroft a Walton (Cavendish Laboratory, Cambridge) v roce 1932 urychlili kaskádním generátorem vlastního návrhu protony na energii 710 kev a jako první docílili uměle vyvolané jaderné reakce (7Li + p 2He) Dnes jsou komerčně dostupné kaskádní generátory dosahující energií ~4 MeV.
Van de Graaffův urychlovač (1)
Van de Graaffův urychlovač (2) Nekonečný pás izolantu slouží k přenosu náboje na vysokonapěťovou elektrodu. Náboj se ukládá a odebírá z izolantu pomocí koronového výboje. Náboj se shromažďuje na povrchu vodivé koule. Aby bylo dosaženo homogennějšího urychlovacího pole, není celé napětí aplikováno mezi dvěma elektrodami, nýbrž se využívá soustavy elektrod s dílčími potenciály oddělených resistory.
Van de Graaffův urychlovač (3) První urychlovač sestrojil Van de Graaff v roce 1931 v Princetonu. První tandemové urychlovače se objevily v 50. letech. Van de Graaffovy urychlovače do cca 5 MeV mohou být umístěny v horizontální poloze, pro vyšší energie musejí stát vertikálně. Problém představuje průrazné napětí, proto je generátor naplněn speciálním plynem (dusík, CO2, SF6) o vysokém tlaku (~10 atmosfér). Maximální dosažené napětí Van de Graaffova urychlovače činí cca 20 MV.
Van de Graaffův urychlovač (4) Van de Graafův generáror dosahuje vyšších napětí a kvalitnějšího energetického spektra než Cockcroft-Waltonův urychlovač. Ovšem nižší intenzita toku částic (do 1 ma).
Van de Graaffův urychlovač (5) 2 MV Van de Graaffův urychlovač, Australian National University
Tandemový urychlovač (1) Na tandemovém urychlovači je částice (ion) nejdříve urychlována jako záporný iont, po překonání maximálního potenciálového rozdílu prochází stripperem, kde je o své elektrony (min. o 2) připravena a jako kladný iont je dále urychlena stejným potenciálovým rozdílem v opačném směru. Lze tak dosáhnout dvojnásobné energie. Plynné strippery výhodné pro údržbu, tlaky ~100 Pa, především helium. Fóliové strippery tenká (~μg.cm-2) fólie např. z uhlíku, omezená životnost
Tandemový urychlovač (2)
Peletron Jednou z variant Van de Graaffova urychlovače je peletron. Místo jednolitého pásu izolantu je použit řetěz izolovaných vodivých článků. Přenos náboje je rychlejší.
II. Indukční urychlovače
Induční urychlovač schema
Indukční urychlovač princip Indukční urychlovač je analogií transformátoru. Částice prochází sérií prstencových magnetů, kolem nichž je navinuta primární cívka. Změna azimutálního magnetického pole v prstencových magnetech vytváří axiální elektrické pole. Urychlující napětí je dáno vztahy d U= dt Φ= B d A Φ je tok magnetické indukce průřezem magnetu.
Indukční urychlovač (3) Velmi vysoká intenzita toku částic (až ka) Delší obnovovací cyklus Energie v řádu jednotek až desítek MeV První indukční urychlovač sestrojil N. Christofilos na přelomu 50. a 60. let
III. Rezonanční urychlovače
Rezonanční urychlovače (1) Principem je vícenásobný průchod částic potenciálovým rozdílem. Částice (ideálně) prochází polem jen v urychlujících úsecích. Střídavé pole (se stálou frekvencí) je synchronizované s průchodem částic urychlujícími úseky. To klade nároky na fázovou stabilitu, ale i na uspořádání urychlovacích úseků.
Rezonanční urychlovače (2) Pro kinetickou energii, již částice získá, platí vztah. d s E kin=e E L Integrujeme intenzitu elektrického pole přes celou délku urychlovací sekce. Ta je závislá na fázi, kterou pole nabývá v daný okamžik v tom či onom bodě, kterým částice právě prolétá.
Rezonanční urychlovače (3) Částice za periodu střídavého pole uletí vzdálenost c L= f Přibližně polovina této délky připadá na urychlovací úsek, polovina na úsek bez pole. Pro elektrony s uvažovanými energiemi platí β 1, tudíž se urychlovací úseky mohou pravidelně opakovat. U protonů se musejí postupně prodlužovat urychlovací úseky i mezery mezi nimi.
Rezonanční urychlovače typy S elektrodami S nosnou vlnou s vlnou stojatou s vlnou postupnou
Urychlovače s elektrodami schema
Urychlovače s elektrodami - princip Částice prochází soustavou elektrod. Dvě sousední elektrody jsou v opačné fázi. Částice jsou urychlovány jen v úzké mezeře mezi dvěma elektrodami. Po zbytek času letí odstíněnou driftovou komorou. Využívaly se frekvence v řádu jednotek MHz. Veliké nároky na rozměry, v případě vyšších frekvencích problémy se vznikajícími elektromagnetickými vlnami.
Urychlovače s elektrodami historie 1924 Gustaf Ising (Švédsko) navrhl princip. 1928 Rolf Widerøe (Norsko) úspěšně urychlil ionty draslíku na energii 50 kev (použil 1 MHz zdroj). Gustav Ising Rolf Widerøe
Urychlovače s nosnou vlnou Urychlovač je tvořen soustavou dutinových rezonátorů. Do ní je zvenku přivedeno radiofrekvenční vlnění o frekvencích od několika stovek MHz po desítky GHz. Jako zdroj vlnění bývá použit klystron (pro nízkoenergetické urychlovače též magnetron). Tvar vlny v rezonátoru musí být takový, aby měla netriviální složku elektrického pole ve směru toku částic (to není pro rovinné vlny splněno).
Urychlovače s posuvnou vlnou (1) Užívají se především pro urychlování elektronů. Nosná vlna musí mít fázovou rychlost rovnou rychlosti urychlovaných částic (v případě elektronů přibližně rovnou c). Protože však fázová rychlost ve válcové dutině vf > c, je potřeba umístit do vlnovodu překážky (zúžení, postranní dutiny). Je také potřeba zajistit, aby se na konci urychlovače vlna absorbovala a neodrážela zpět. První urychlovač s posuvnou vlnou pro elektrony sestavil v roce 1947 William W. Hansen (Stanford).
Urychlovače s posuvnou vlnou (2) Schéma urychlovací sekce (mnohokrát opakované), urychlovač SLAC
Urychlovače s posuvnou vlnou (3) Diskové překážky, které oddělují dutinové rezonátory a snižují fázovou rychlost vln
Urychlovače se stojatou vlnou (1) Zde je naopak potřeba vytvořit vhodné podmínky pro odraz vln. Nejjednodušší uspořádání driftové trubice navrhl Alvarez (1946). Zde jsou uprostřed rezonátoru podél trajektorie částic umístěny driftové trubice, které odstiňují vlny.
Urychlovače se stojatou vlnou (2) Průřez urychlovače s driftovou trubicí Intenzita elektrického pole mezi driftovými trubicemi Obrázky převzaty z popisu Berkeley Proton Linear Accelerator (1953, Alvarez et al)
Urychlovače se stojatou vlnou (3) Začátek 200 MeV urychlovače Brookhaven Nat. Lab., USA 50 MeV urychlovač, Argonne, USA
Urychlovače se stojatou vlnou (4) Složitější uspořádání (dutinové rezonátory): nezávislé dutiny spřažené dutiny (coupled cavities) dosáhnout dvojnásobného spádu potenciálu umožňují Hlavní využití urychlovačů se stojatou vlnou je pro urychlování protonů a iontů, ale i v elektronových urychlovačích užívaných v medicíně Frekvence ~200 MHz Spřažené dutiny
Dutinové rezonátory 700 MHz rezonátor vhodný pro energie protonů 100-200 MeV Model rezonátoru pro navrhovný International Linear Collider
Siločáry v dutinových rezonátorech Základní mód Vyšší harmonický mód Ilustrační obrázek, ve skutečnosti pochází ze synchrotronu
IV. Velké lineární urychlovače minulosti, současnosti a budoucnosti
Protonové lineární urychlovače Nejvyšší energie dosahuje lineární urychlovač v Los Alamos National Laboratory (LANL): Předurychlení na 100 MeV urychlovači Alvarezova typu Urychlovač se spřaženými rezonátory na 800 MeV Délka 785 m Frekvence 805 MHz Proud 1 ma. Ve Fermilabu slouží 150 metrů dlouhý urychlovač k předurychlení protonů pro Tevatron na energii 400 MeV.
SLAC (1) Největší současný e+e- lineární urychlovač (~3,2 km) Umístěn na Stanfordské univerzitě v Kalifornii V provozu 1966-2008 Mnoho úspěchů: Objev J/Ψ Objev τ Výzkumy CP-symetrie narušení
SLAC (2) Hlavní urychlovač je dlouhý 3,2 km (přebudován v osmdesátých letech), k němu bylo v historii připojeno několik různých experimentálních zařízení: 1966 experimenty s terčíky (50 GeV) 1972 akumulační prstenec SPEAR (4+4 GeV) 1980 akumulační prstenec PEP (20+20 GeV) 1989 vstřícné svazky SLC (50+50 GeV) 1999 akumulační prstenec PEP-II (9 + 3 GeV) 2008 zastaven V současné době několik experimentů, např. LCLS (Linac Coherent Light Source) rentgenový laser postavený na elektronovém paprsku
SLAC (3)
SLAC (4) http://www.slac.stanford.edu/
International Linear Collider (1) Realizace v příštím desetiletí (rozhodnutí 2012, stavba ~7 let) Projekt zatím nemá definitivní podobu, vznikl sloučením několika jiných projektů Nejisté umístění (Japonsko, Francie,?)
International Linear Collider (2) 30 50 km dlouhý tunel (10x delší než SLAC) Elektrony se získají laserový ozařováním fotokatody, pozitrony tvorbou párů ze synchrotronového záření. Pozitrony se musejí akumulovat Svazek bude v místě interakce široký stovky nanometrů a vysoký v řádu jednotek nanometrů. K urychlování poslouží supravodivé dutinové rezonátory.
International Linear Collider (3) Elektrony a pozitrony urychleny na 250 GeV (pozdější upgrade by toto mohl dvojnásobně zvýšit). Energie je podstatně nižší než u LHC, nicméně charakter srážek umožní přesnější měření v mnoha oblastech. http://www.linearcollider.org/cms/
Compact Linear Accelerator (1) Navržen v CERNu jako náhrada za doslouživší LHC Projekt nezávislý na ILC, ale jeho realizace je značně nejistá (patrně maximálně jeden bude uveden do provozu, další krok v roce 2012) Srážky elektronů a pozitronů o celkové energii 3 TeV http://clic-study.web.cern.ch/clic-study/
Compact Linear Accelerator (2) Dvojsvazkový koncept Budící RF pole (12 GHz) je generováno paralelním svazkem elektronů (bržděným) Tím je dosaženo gradientu až 100 MV/m
Compact Linear Accelerator (3)
Co s tak vysokými energiemi? Praktické využití urychlovače dosahující stovky či tisíce GeV nacházejí v současné době téměř výhradně v částicové fyzice. Co si slibujeme od ILC (potažmo LHC)? Pozorování Higgsova bosonu, stanovení jeho vlastností Ověřování teorií za Standardním modelem supersymetrie, další rozměry Odpověď na otázku Co je temná hmota?
Děkuji za pozornost Příště: Iontové zdroje Supravodivé magnety Využití urychlovačů