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Teilchenbeschleuniger
19.7.2020
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Teilchenbeschleuniger 1 1.Allgemeines 1.1 Geschichte 1.2 Grundlegendes 2.Beschleuniger 2.1 Linearbeschleuniger 2.2 Zyklotron 2.3 Synchrotron Gliederung 3.Großforschungseinrichtungen 3.1 CERN 3.2 DESY 4.Formeln 2 Geschichte MeV-Bereich • 1897 Braunsche Röhre (Karl Ferdinand Braun) für Fernseher 1929 erster Vorschlag zur Nutzung von Wechselfeldern 1930 Bau ersten Zyklotrons von Ernest Lawrence & Milton Stanley Livingstone • John Cockroft & Ernest Walton 1932 erste Kernreaktion ● 3 Geschichte GeV-Bereich ● 1954 erster Ringbeschleuniger auf fast Lichtgeschw. (6 GeV) 1950er "starke Fokussierung" 1960 Bau von Synchrotronen mit Stärke bis zu 30 GeV • 2015 Large Hadron Collider hat Protonen auf 6,5 TeV beschleunigt 4 • 2 Typen: geradlinig & zyklisch beschleunigend Geladene Teilchen werden durch elektrische Felder auf große Geschwindigkeiten gebracht • Im Vakuum Strahlentherapie, Durchstrahlungsprüfung ● Grundlegendes Erkenntnisse über Struktur der Materie im subatomaren Bereich ● 5 Geladenes Teilchen von Quelle durch Reihe von Röhren geschossen • Röhren sind an Wechselspannungsquelle geschlossen Spannung wird so angepasst, dass Teilchen von kommender Röhre angezogen wird • Teilchen wird im Zwischenraum beschleunigt V(x). + Linearbeschleuniger E A V(t) + C2 + C4 6 0 Ø • 2 Duanten mit Wechselspannung, 2 Elektromagnete, Teilchenquelle im Hohlraum zw. Duanten Teilchen wird aus Quelle in ersten Duant geschossen Duanten werden umgepolt während Teilchen im ersten Duant ist Teilchen wird wegen elektrischem Feld im Zwischenraum beschleunigt Durch ansteigende Geschw. wird Umlaufbahn größer Ablenkelektrode lenkt Teilchen aus Duanten auf Target ● ● ● ● ∞ Duant 1 ∞ Quelle Duant 2 Zyklotron Ø B D2 lonenquelle D₁ beschleunig- tes lon 7 ● Synchrotron Kreisbeschleuniger mit fixiertem Radius & anpassbarer Magnetfeldstärke Magnetfeld wird mit zunehmender Teilchengeschwindigkeit verstärkt Hauptsächlich für Kollisionsexperimente, auch in Medizin (Strahlentherapie) Benötigt Vorbeschleuniger (meist Linearbeschleuniger) M M M M M M M Linearbeschleuniger A Target Elektronenquelle 8 Gründung 1954 Sitz der Organisation in Konferenz in Amsterdam bestimmt (Genf) • Zur Gründungszeit 12...
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Mitgliedstaaten, heute 23 ca. 18000 Mitarbeiter, 14000 Wissenschaftler Jahresbudget 21 Milliarden Euro (20% von DE) ● ● ● CERN Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire ● Energieverbrauch 1,2 TW/h Hauptquelle für Strom: fr. Atomkraftwerk 9 Large Hadron Collider Synchrotron mit 26 659 Meter Umfang Liegt bei 50-175 m Tiefe Erreicht Energien von bis zu 13 TeV 900 Vakuumpumpen für Ultrahochvakuum • 2 Stahlrohre, die sich an 4 Stellen kreuzen ● ● EMS ALICE 0 LHC • 1232 Dipolmagnete, 392 Quadrupolmagnete Magnete aus supraleitenden Kabeln (müssen auf -271°C, 10.080 T fl. Stickstoff, dann 100 T fl. Helium, während Betrieb immer von 60 T Hel umgeben) ● • Protonen oder Bleikerne zu Paketen komprimiert, zum Zusammenstoß gebracht • Strom-& Wasserkosten ca. 67 Mio. Eur ● Budget) ALICE р Pb- CMS LHC + SPS ATLAS PS LHCb 1 1 DESY Deutsches Elektronen-Synchrotron Gründung 18.12.1959, Hamburg Sitze in Hamburg & Zeuthen • Aus öffentlichen Mitteln finanziert ● Jahresbudget 230 Mio. Euro (90% Bundesministerium für Bildung und Forschung, 10% Hamburg/Brandenburg) Schwerpunkte: Entwicklung & Betrieb von Teilchenbeschl., Forschung d. Eigenschaften von Materie mit Photonen • 2300 Mitarbeiter (2100 Hamburg, 200 Zeuthen) 12 • Bau: 1960-1964 Beschleunigt Elektronen auf 7,4 GeV • Heute als Vorbeschleuniger für PETRA III RIS III DESY PETRA III HERA HERA-Halle West HERA-Hall West Elektronen/Positronen Electrons/Positrons Protons Synchrotronstrahlung Synchrotron Radiation PETRA VUV-FEL DESY III DESY II HASYLAB DORIS LINAC III 12 PIA 13 DESY Positron-Elektron-Tandem-Ring-Anlage • Bau: 1975-1978 • 2304 m Umfang • Nachweis Gluon im Jahr 1979 ● • 1990-2007 Vorbeschleuniger für HERA • Umbau zu PETRA III, Röntgenlichtquelle 4 DESY Hadron-Elektron-Ring-Anlage • Bau: 1984-1990 • 6336 m Umfang, 10-25 m Tiefe 2 Teilchenbeschleuniger in Tunnelröhre: -Elektronen auf 27,5 GeV -Protonen auf 920 GeV beschleunigt • Kollidieren mit annähernder Lichtgeschw. an 2 Stellen • 30.06.2007 abgeschaltet PETRA HERA 15 Formeln Länge der Röhren im Linearbeschleuniger Geg.: -feste Periodendauer des Wechselstroms T=1/f -gleichförmige Bew. in den Röhren v=s/t • Ges.: -Länge der folgigen Röhre ● • Bei Maximalspannung im Beschleunigungsfeld d.h. zw. 2 Maximalspannungen in Röhre →t-T/2 → 1=vxT/2 f(x) = sin(x) w ETT 6 Formeln Zyklotronfrequenz • F(Lorentz)= F(Zentripetal) qvB = mv²/r @=2πf • v=ro = 2лfr ● qvB = mv²/r → v=rqB/m 2лfr=rqB/m → 2лf=qB/m f=qB/2лm → Frequenz ist unabhängig vom Radius, Geschw. & Energie der Teilchen 1 7 Quellen https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/bewegte-ladungen-feldern/ausblick/teilchenbeschleuniger zuletzt aufgerufen: 30.12.2019 https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik-abitur/artikel/teilchenbeschleuniger zuletzt aufgerufen: 31.12.2019 https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/bewegte-ladungen-feldern/ausblick/hochfrequenz-linearbeschleuniger zuletzt aufgerufen: 1.1.2020 https://www.spektrum.de/lexikon/physik/synchrotron/14262 zuletzt aufgerufen: 02.01.2020 https://physik.cosmos-indirekt.de/Physik-Schule/Synchrotron zuletzt aufgerufen: 02.01.2020 https://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/elektronenbahnen/b-feld/anwendung/zyklotron.php zuletzt aufgerufen: 06.01.2020 https://www.energy.gov/articles/how-particle-accelerators-work zuletzt aufgerufen: 02.02.2020 https://physik.cosmos-indirekt.de/Physik-Schule/Teilchenbeschleuniger zuletzt aufgerufen: 02.02.2020 https://de.wikipedia.org/wiki/Teilchenbeschleuniger zuletzt aufgerufen: 13.02.2020 https://www.sofatutor.com/physik/videos/zyklotron-ueberblick zuletzt aufgerufen: 17.02.2020 https://physicsworld.com/a/what-have-particle-accelerators-ever-done-for-us/ zuletzt aufgerufen: 29.01.2020 https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik-abitur/artikel/ruheenergie-und-gesamtenergie https://de.wikipedia.org/wiki/Deutsches_Elektronen-Synchrotron zuletzt aufgerufen: 22.02.2020 https://www.weltmaschine.de/cern_und_lhc/lhc/zahlen_und_fakten/ zuletzt aufgerufen: 22.02.2020 https://www.weltmaschine.de/cern_und_lhc/cern/ zuletzt aufgerufen: 24.02.2020 https://www.weltmaschine.de/cern_und_lhc/lhc/wie_funktioniert_der_lhc/ zuletzt aufgerufen: 24.02.2020 zuletzt aufgerufen: 17.02.2020 https://www.weltderphysik.de/gebiet/teilchen/experimente/teilchenbeschleuniger/lhc/lhc-faq/ zuletzt aufgerufen: 22.02.2020 https://naturschutz.ch/hintergrund/meinung/der-okoblog-71-mio-stromrechnung-fur-ein-higgs/49653 zuletzt aufgerufen: 24.02.2020 https://de.wikipedia.org/wiki/CERN zuletzt aufgerufen: 24.02.2020 https://physik.cosmos-indirekt.de/Physik-Schule/Duant zuletzt aufgerufen: 24.02.2020 https://de.wikipedia.org/wiki/Supraleiter zuletzt aufgerufen: 24.02.2020 https://de.wikipedia.org/wiki/Quadrupolmagnet zuletzt aufgerufen: 24.02.2020 https://de.wikipedia.org/wiki/Large_Hadron_Collider zuletzt aufgerufen: 24.02.2020 https://home.cern/science/accelerators/large-hadron-collider zuletzt aufgerufen: 24.02.2020 http://www.duew.shuttle.de/duew/wheisgy/aufbaul.html zuletzt aufgerufen: 26.02.2020 https://fap-dep.web.cern.ch/rpc/2020-annual-contributions-cern-budget zuletzt aufgerufen: 26.02.2020 http://www.desy.de/~mgrefe/files/Grefe_DESY-PR_DE.pdf zuletzt aufgerufen: 26.02.2020 http://www.desy.de/forschung/anlagen_projekte/hera/index_ger.html zuletzt aufgerufen: 26.02.2020 http://www.uni-protokolle.de/foren/viewt/118048,0.html zuletzt aufgerufen: 27.02.2020 http://users.informatik.uni-halle.de/~abjnr/dateien/dokumente/linearbeschleuniger.pdf zuletzt aufgerufen: 27.02.2020 https://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/elektronenbahnen/b-feld/anwendung/zyklotron2.php https://de.wikipedia.org/wiki/Zyklotronfrequenz zuletzt aufgerufen: 28.02.2020 zuletzt aufgerufen: 28.02.2020 1 8 https://www.lernhelfer.de/sites/default/files/lexicon/image/BWS-PHY2-0401-07.gif https://media.springernature.com/lw785/springer-static/image/chp%3A10.1007%2F978-3-662-52884- https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/07/LHC_02.svg Bildquellen https://www.swissinfo.ch/image/44194200/3x2/640/426/58d793203eac301d486ee881bab7deff/gA/080 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/07/LHC_02.svg/1280px-LHC_02.svg.png https://min.desy.de/sites2009/site_min/content/e109/e116/e128/e129/petra.jpg https://www.hamburg.de/image/1389340/4x3/750/563/33ef6005605f54e6176d02e2e0e50c2/uo/desy-1.jpg https://www.geotec-gmbh.de/wp-content/uploads/2010-09-30_Luftfoto_DESY_mit_Beschleunigern_RS-0059-bum70_t.jpg https://www.ndr.de/geschichte/chronologie/desy169_v-contentxl.jpg https://blog.vdi.de/wp-content/uploads/2017/01/CERN-Genf-Museumsgeb%C3%A4ude.jpg https://www.spektrum.de/lexika/images/physik/fff17326_w.jpg https://dlu2r2pnzqmal.cloudfront.net/content_images/images/6758/normal/Zyklotron.jpg?1573813586 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/08/Linear_accelerator_animation_16frames_1.6sec.gif https://assets.serlo.org/legacy/56dfdf8236429_8b55a0f12164bc8ab9cd3d87285ead380a495358.png 9