detektory a urýchlovace (3/3)

26 April 2007 Karel Safarik: Urychlovace 1

Detektory a Urýchlovace Detektory a Urýchlovace (3/3)(3/3)

Peter Chochula/Karel Šafařík (CERN)Peter Chochula/Karel Šafařík (CERN)

s pouzitím materiálov ods pouzitím materiálov odO.Brüning, E.Wildner…O.Brüning, E.Wildner…


Úvod do urýchlovacovÚvod do urýchlovacov


Jednotky: ElektronvoltJednotky: Elektronvolt

Elektrónvolt, jednotka energie, oznacovaná ako eV, sa pouzivá pre malé energie:1 eV je definovaný ako energia dodaná castici s nábojom jeden elektrón (t.j. okolo 1.602·10-19 C) elektrickým polom s rozdielom potenciálov 1 Volt:

1 eV = 1.602·10-19 joule

Vo fyzike castíc jednotka eV sa pouzivá taktiez ako jednotka hmotnosti, protoze hmotnost’ a energia sú úzko spojené Einsteinovým vzt’ahom:

E = mc2

kde m je hmotnost castice a c je rýchlost’ svetla vo vákuu

Hmotnost’ elektrónu je okolo 0.5 MeV

Úrýchlovanie

Celková energia

From Wikipedia


RelativitaRelativitaKed’ sú castice urýchelné ne velkú energiu, ich rýchlost’ v sa pribluzije rýchlosti svetla vo vákuu c:

musíme zobrat’do úvahy relativistické efekty

= E/m = p/E = p/m


Preco urýchlovace?Preco urýchlovace?Preco stále vyssia energia?Preco stále vyssia energia?

Castice – vlnyCastice – vlny Rozlisovacia schopnost’ je daná vlnvou dlzkouRozlisovacia schopnost’ je daná vlnvou dlzkou

= h / p= h / p(napríklad elektrónový mikroskop)(napríklad elektrónový mikroskop) 200 MeV <-> 1 fm (10200 MeV <-> 1 fm (10-13-13 cm) cm) 1 GeV <-> 0.2 fm1 GeV <-> 0.2 fm 100 GeV <-> 2 10100 GeV <-> 2 10-16-16 cm (LEP) cm (LEP) 10 TeV <-> 2 1010 TeV <-> 2 10-18-18 cm cm (LHC) (LHC)


Co urýchlovat’ ?Co urýchlovat’ ?

elektróny – pozitrónyelektróny – pozitróny Velmi dobré na objavy nových (neutrálnych castíc) Najjednoduchsia interpretácia výsledkov

protóny (anti-protóny)protóny (anti-protóny) Tiez objavy nových castíc, ale energia “elementárnych”

zrázajúcich sa objektov nie je fixovaná Struktúra hadrónov

tazke iony (az po Pb)tazke iony (az po Pb) Vysokoteplotná QCD, fázové prechody Nahrievanie vákua


Zdroje castíc: elektrónyZdroje castíc: elektróny

Katóda

Iris

Vysoké napätie

Elektrónový zväzok

Najjednochsí zdroj – v podstate elektrónka

Obrazovka (starých) televízorov – typický elektrónový urýchlovac na ~ 10 KeV


Zdroje castíc: protónyZdroje castíc: protóny

Katóda

Gas in

Anóda

Plasma

Vylietavajúce ióny

Duoplasmatron z CERNovskej Linac-Homepage


Zdroje castíc: antiprotónyZdroje castíc: antiprotóny

protóny

Target

p

p

Zber antiprotónov

a chladenie!


Sily pôsobiace na nabitú casticuSily pôsobiace na nabitú casticu

Mení smer pohybu castice, nemení jej hybnost’ !

Urýchluje castice !

+

Lorentzova sila:


Princíp urýchlovania: casovo meniace saPrincíp urýchlovania: casovo meniace saelektrické poleelektrické pole

Lineárne urýchlovace

Cirkulárne urýchlovace


Lineárne urýchlovaceLineárne urýchlovace

- V +Zjednodusený Linac

Castice sa zgrupujú dokopy (klobásky), aby sme zaistili, ze elektrické pole má správny smer v case ked klobáska prileti do danej ”medzery”

Rýchlost’ castíc sa stále zvysuje, preto dlzka modulov sa zväcsuje tak, aby prilet castíc bol synchronizovaný zo smerom elektrického pola v danej medzere

Alvarez: Resonance tank Linac


CyklotrónCyklotrónDostredivá sila=-Odstredivej sile:

To isté, inak:

Frenkvencia nezávisí od polomeru, ale len v nerelatickej limite! Toto nie je pravda pri vysokých enrgiách ak prejdem so relativistického rezimu. Frenkvencia sa musí menit v závislosti na rýchlosti castic: synchrocyklotron.

Kontinuálny tok castíc (nie klobásky)


Synchrotrón

Skupiny castíc (klobásky) Skupiny castíc (klobásky) obiehajú synchrónne s obiehajú synchrónne s radiofrkvencným polom v radiofrkvencným polom v urýchlovacej kaviteurýchlovacej kavite

Kazdá castice obieha Kazdá castice obieha nedaleko ideálnej nedaleko ideálnej (teoretickej) orbity: aby (teoretickej) orbity: aby toto fungovalo urýchlovanie toto fungovalo urýchlovanie a magnetické polia musia a magnetické polia musia splnat’ kritéria stabilitysplnat’ kritéria stability

Magnet

RF medzera- V +


DipólDipól

Dipolový magnet zatáca dráhu castíc v horizontálnej rovine (vertikálne pole)

e

pB

syxBp

e

syx

mvp

mvF

BevF

y

s

sr

ysx

),,(),,(

1

/2

s (beam direcion)

y x

”Magnetická rigidita”


Fokusacia: KvadrupólFokusacia: Kvadrupól

Castice musíme fukusovat’, aby zostali v urýchlovaciPodobne ako v optickom systéme

Kvadrupól

Kladný náboj pohybujúci sa smerom k nám:Defokusuje sa v horizontálnejrovine,fokusuje sa vo vertikálnej rovine.

+

+


KvadrupólKvadrupól

y (vertikála)

x (horizontála)

Sila je úmerná vzdialenosti od stredu:

Castice daleko od stredu magnetu sa zatácajú viac, dostanú vacsiu korekciu


Fokusujúci systémFokusujúci systém

”Alternate gradient focusing” spravý celkový fokusujúci efekt (porovnajte napríklad s optickým systémom v kamerách)

Zväzok potrebuje menej miesta vo vákuovej komore, amplitúdy sú mensie a pri rovnakom rozmere magnetov kvalita magnetického pola je lepsia (optimalizácia ceny)

Synchrotron: Magnety striedajú orientáciu kvadrupólového pola (F – fokusácia, D -defokusácia)(B – bending, zatocenie)

F

DB

B

B


Korektory

Beam Position Monitors (monitory polohy zvazku) merajú polohu zvazku v blízkosti kvadrupólu, zvazok má prechádzat’ v prostriedku...Malé dipolové magnety sa pouzívajú na korekcie mozných chýb v pozícii zvazku.

Iné typy magnetov sa pouzívajú na korekcie d’alsích chýb, napríklad ne-ideálnost’ magnetických polí


Mozné chyby

Typy chýb, ktoré môzu ovplyvnit urýchlovací proces a musia sa korigovat’:

Pohyb povrchu ZemeVlaky...MesiacRocné obdobieKonstrukcné práce...

Kalibrácia magnetov je velmi dôlezitáRegulácia prúdu v magnetoch...

Energia castíc musí zodpovedat’ hodnote pola v magnetoch, aby castice zostali na svojej orbite. Kontrola urýchlovania!


Elektrické polia pre urýchlovanieElektrické polia pre urýchlovanie

Rezonancný obvodKavita pre urýchlovanie


-3 -2 -1 1 2 3

-1

-0.5

0.5

1

Urýchlovanie v synchrotrone

““Bucket”: Energeticko-fázová podmienka Bucket”: Energeticko-fázová podmienka stabilitystability

RF fáza

Hybnost’ – Referencná hybnost’

Skupina castíc (“bunch”, “klobáska”)Skupina castíc (“bunch”, “klobáska”)

Urýchlovacia medzera Urýchlovacia medzera ss

RF napatímRF napatím

Toto zodpovedá elektrickému polu Toto zodpovedá elektrickému polu ktoré vidí referencna casticaktoré vidí referencna castica

Prvá castica zvýsi enrgiu menej Prvá castica zvýsi enrgiu menej

tt

VV


Experimenty

Tercíkové:Tercíkové:

Bombardovanie materialu zvazkom vypusteným von z Bombardovanie materialu zvazkom vypusteným von z urýchlovaca.urýchlovaca.

Bublinové komoryBublinové komory

Pouzitelnú energiu treba pocítat’ v t’aziskovom systéme (t.j. Pouzitelnú energiu treba pocítat’ v t’aziskovom systéme (t.j. zrázajúce sa objekty)zrázajúce sa objekty)

Zrázat’ castice je ovela Zrázat’ castice je ovela výhodnejsievýhodnejsie

1960: elektrón/pozitrónový 1960: elektrón/pozitrónový zrázaczrázac

1970: protón antiprotónový 1970: protón antiprotónový zrázaczrázac

2000: ionový zrazac, Au 2000: ionový zrazac, Au (zlato)(zlato)


Zrázace

Vsetky castice sa nezrázajú v ton istom case -> je potrebný dlhý cas

Potrebujeme dva zvazky

Anticastice sú odlisné (a drahé) na výrobu (~1 antiprotón potrebuje 106 protónov)

Zvazky sa navzájom ovplyvnujú: zvazky musia byt’ separované ked’ sa nezrázajú


Urýchlovace v CERNeUrýchlovace v CERNe

Energie:

Linac 50 MeV

PSB 1.4 GeV

PS 28 GeV

SPS 450 GeV

LHC 7 TeV


LHC


LuminozitaLuminozita

FfnN

L revbb

4

2

Pocet castíc v bunchi Pocet castíc v bunchi (klobáske) (dva (klobáske) (dva zvazky)zvazky)

Pocet bunchov (klobások) vo zvazkuPocet bunchov (klobások) vo zvazku

Frekvencia otácaniaFrekvencia otácania

Formfactor z uhla zvazkovFormfactor z uhla zvazkov

Optická beta funkciaOptická beta funkcia

EmitanciaEmitancia

)2

cos()()( sQL

ssx x

A


Synchrotrónne ziarenieSynchrotrónne ziarenie

Dráha casticeSynchrotrónny svetelný kuzel

Elektromagnetické vlny

Urýchlované nabité castice vyzarujú fotóny

Radio signály and Röntgennové lúce

2

4

P3

E


VákuumVákuum

“Nabuptnanie” zvazku

Straty castíc

Neziadúce zrázky v experimentoch

Limitoje luminozitu


Supravodivost’Supravodivost’

Preco supravodivá magnety?Preco supravodivá magnety?

Mensí polomer, mensi pocet castíc v urýchlovaci, mensí urýchlovacMensí polomer, mensi pocet castíc v urýchlovaci, mensí urýchlovac

Setrenie energiou, ALE velmi komplexná infrastruktúraSetrenie energiou, ALE velmi komplexná infrastruktúra


Supravodivý dipól pre LHCSupravodivý dipól pre LHC

LHC dipóly (1232 + rezerva) vyrobené in 3 firmami LHC dipóly (1232 + rezerva) vyrobené in 3 firmami (Nemacko, Francúzsko a Taliansko, velky high-tech projekt)(Nemacko, Francúzsko a Taliansko, velky high-tech projekt)


LHC DipólLHC Dipól

“Dva v jednom” konstrukcia

Pracovná teplota 1.9 K !

Najchladnejsie miesto vo vesmíre...


LHCLHC


Budúce urýchlovaceBudúce urýchlovace

detektory a urýchlovace (3/3)

Documents