Acceleratorer i verden

Transkript

1 Moderne acceleratorers fysik og anvendelse Q2, 2009 Niels Hertel Henrik Kjeldsen Søren Pape Møller Jørgen S. Nielsen Christian Søndergaard 1 Acceleratorer i verden Tallene er fra år Ca 55% benyttes i industrien, 35% i medicin og 10% til forskning Anvendelse Ca antal Ionimplantation og overfladebehandling 7000 Andre acceleratorer i industrien 1500 Forskning (undtagen kerne- og partikelfysik) 1000 Strålingsterapi (gammastråling) 5000 Isotopproduktion til medicinsk brug 200 Partikelterapi 20 Synkrotronstrålingskilder 70 Forskning i kerne- og partikelfysik 110 TOTAL

2 Ernest Rutherford Rutherford lavede de første accelerator-eksperimenter i 1909 uden en accelerator! α-partikler Eksperimentet: Øverst til højre ses det forventede resultat jvf. den gældende teori. Nederst det observerede resultat, der påviste atomets struktur. Det skabte behov for at kunne lave kontrollerede og veldefinerede stråler af atomare partikler. 3 Lidt om praktiske enheder Elektrisk ladning regnes i enheder af elementarladningen. I denne enhed har en proton en ladning på +1, og en elektron en ladning på -1. Energi regnes i elektronvolt, ev. 1 ev er den energi en partikel med en ladning på 1 opnår ved at gennemløbe et spændingsfald på 1V. Accelererer vi således en enhedsladning med en spænding på 20kV opnår den en energi på 20keV. I acceleratorfysik ses ofte enhederne MeV = 10 6 ev (Megaelektronvolt) GeV = 10 9 ev (Gigaelektronvolt) TeV = ev (Teraelektronvolt) 4 2

3 Motivation for stadig højere energier Kort bølgelængde, jvf. debroglie: λ=h/p. (h=6.6*10-34 J*s er Plancks konstant, p er impulsen og λ er bølgelængden) Med en kortere bølgelængde kan man observere finere detaljer. Dannelse af andre partikler: jvf. Einstein: E=mc 2. (E er energi, m er massen og c=3*10 8 m/s er lysets hastighed i vacuum) Med høj energi til rådighed i et sammenstød er der mulighed for at danne andre partikler med høj masse (energi). 5 λ = h p = v h E kin Kinetic Energy (ev) 6 3

4 Energi og impuls Einstein: E 0 =m 0 c 2 Total energi, E = E 0 +E k, hvor E k er kinetisk energi β = v c γ = 1 1 β E=γE 0, E k =E 0 *(γ-1), m=γm 0, p=γm 0 v 2 E 2 =E 02 +(pc) 2 p angives ofte i energi/c, f.eks. i GeV/c E pc m 0 c 2 7 masse og hastighed m m 0 = 1 1 v c 2 2 = γ 8 4

5 Hastigheder Velocity (m/s) Electron Proton U Kinetic energy (ev) Acceleratortyper Kinetic energy T Electrons Protons/ions Electrostatic Van de Graaf &Tandems Betraton Microtron Cyclotron Synchro-cyclotron kev kev (q=1) 1-35 MeV MeV MeV MeV MeV Synchrotron GeV GeV Storage ring GeV (ESRF) Collider ring GeV (LEP) 1-7 TeV (LHC) Linacs 20 MeV-50 GeV (SLC) MeV(LAMPF) Linear collider GeV (TESLA) 10 5

6 Acceleratorens historie (oversigt) (1) 1919 Rutherford ser de første kernereaktioner med alfapartikler fra radioaktivt henfald. Han noterer, at han skal bruge mange MeV for at studere atomkernen 1932 Cockcroft & Walton bygger en 700kV elektrostatisk generator, og spalter Lithium med 400 kev protoner. (Nobelprisen i 1951) 1924 Ising foreslår acceleration ved hjælp af en vekselspænding mellem driftrør. ( forløberen for linac en) Wideröe bruger Isings princip med en RF generator, 1MHz, 25 kv og accelererer K-ioner op til 50keV Lawrence opfinder cyclotronen, inspireret af Wideröe & Isings ideer Livingston demonstrerer cyclotronprincipppet og accelererer protoner op til 80 kev 11 Acceleratorens historie (oversigt) (2) 1932 Lawrence s cyclotron producerer protoner ved 1.25 MeV og «knuser atomer» få uger efter Cockcroft & Walton. Nobelpris Wideröe foreslår betatronen og finder betatronbetingelsen 1927 Wideröe bygger en betatron, men den kommer ikke til at fungere Kerst genoptager betatronideen og bygger en der producerer 2.2 MeV elektroner 1950 Kerst bygger en 300 MeV betatron 12 6

7 Acceleration af elektrisk ladede partikler En elektrisk ladet partikel påvirkes af elektriske og magnetiske felter: r Lorentzkraften: dp r r r r = F = e * (E + v B) dt Dvs. at vi KUN kan øge partiklens energi med et E-felt, mens vi kan ændre partiklens retning med både et E- og B-felt. Men et B-felt på 1T er lige så effektivt til styring af en enkeltladet, relativistisk partikel som et E-felt på 3*10 8 V/m! Derfor anvendes E-felter kun til styring af partikler med v<<c, dvs lavenergetiske ioner. 13 Styring: Dipolmagneter En dipolmagnet I en dipolmagnet som vist ovenfor bestemmer feltet B og energien E partiklens afbøjningsradius r. B Generelt gælder p,q BR = p/q R 14 7

8 I nedenstående betegner E den kinetiske energi Centrifugalkraft = Lorenzkraft pv / R = qvb BR = p q 1 2 Generelt : B R = E + 2 E m0 / q c Enheder benyttet nedenfor : B : tesla, R : meter, E :MeV, q : e Dvs B R = eller B R = Afbøjning i magnetfelt 3 3 E E E m [ amu] / q + 2 E m [ MeV ] / q 0 0 For E << m, dvs v << c, typisk for tunge partikler (ioner) 0 ( v << c): B R = E m [amu] / q 0 For E >> m, dvs v~c ( v c): 0 B R = , typisk for lette partikler 3 E / q (elektroner) Elektroner: m 0 =0.511MeV, q=-e Protoner: m 0 = 1.008amu = 938MeV, q=e 1 MeV=1.602*10-13 J e=1.602*10-19 C 1 amu = 931MeV 15 V~c V<<c 16 8

9 Accelerationsprincipper 1 Acceleration med et elektrostatisk felt: 17 Cockroft-Walton HV kaskadegenerator Beam Ionkilde E = q V [ev, elektronvolt] Max: ~ 4MeV 18 9

10 Marx generator Kondensatorerne er parallelforbundne indtil der går en gnist i gnistgabene. Gnisten kortslutter gabene så de serieforbindes, sådan at spændingerne over dem adderes. Max: 6MeV, 19 Cockroft-Walton Herover ses den originale Cockroft Walton accelerator fra Til højre en udgave fra Brookhaven, ca

11 Van de Graff accelerator 21 Van de Graaf : Pelletron 22 11

12 Van de Graaf accelerator Indmaden af en mere moderne model. Her er tryktanken med SF6 fjernet Arbejde på en tidlig Van de Graaf accelerator, ca Tandem accelerator (Typisk en Van de Graaf generator) Fidusen er, at terminalspændingen udnyttes to gange. I eksemplet herover er terminalspændingen 10MV, og udgangsenergien 20MeV (enkeltladet X - og X + ). Op til 1000MeV muligt med højtladede ioner 24 12

13 Tandem accelerator Til venstre ses en tandemaccelerator hvor tryktanken er trukket tilbage. En af vanskelighederne med store tandems er mekanisk stabilitet af det meget lange acc. rør. Denne er fra Madison/Wisconsin Til højre en typisk tandem accelerator opstilling. Ionkilden er bagerst i billedet. Forrest til højre ses analysemagneten. Denne er fra TU München. 25 Den største tandem accelerator (lukket i 2003) Vivitron, Strasbourg (<25 MV) 26 13

14 Accelerationsprincipper: RF RF acceleration:gustaf Isings første forslag til en LINAC (1924) 27 Wideröe Linac AC acceleration Ising 1924 Wideröe 1928 E i = iqu sin( ) max Ψ0 l i Fasestabilitet! i 28 14

15 Wideröe Linac, animation Vakuum glas cylinder Ion kilde 29 Cyclotron B feltet er konstant, så til en given hastighed v svarer en radius r. Et halvt omløb svarer til den halve omløbstid, dvs vi har at: r = p mv = eb eb T π r = = 2 v π m eb Den tilsvarende vinkelfrekvens bliver så ω = 2 π f r r Synkronicitet hvis 2π eb = = T m ω RF = ωr m = m 0 (konstant) hvis E k << E 0 Er dette opfyldt er maskinen isokron 30 15

16 Eksempel: Bevægelsesligning i cyclotron Vi har og r F = r p&r r = ev B dvs eller opdelt i x og y Differentier igen for at få bevægelsesligningen både i x og y-plan Løsning: med 31 Cyclotron animation v<<c 32 16

17 Cyklotroner (1) Her ses Livingstons proof of concept cyklotron fra Den er ca 10 cm i diameter og nåede 80keV Herover ses Lawrence s 60 tommers cyklotron fra Univ. of California, Berkeley. 50MeV He. Magneten vejede 220 ton. 33 Cyklotroner (2) Vertikal fokusering i magnetfelt opnås med en feltgradient. Opdaget i 1931 på Berkeley cyclotronen I Når E kin nærmer sig m 0, må frekvensen sænkes for at bevare synkroniciteten. I en sådan synchrocyclotron accelereres altså kun én puls pr. frekvenscyklus. Alternativt kan feltet gives en gradient og sektorer til fokusering 34 17

18 Cyklotroner (3) En moderne commerciel cyklotron til isotopfremstilling til brug ved PET scanning. Modellen vist her er en 16.5 MeV GE PETTrace. Magnetsektorene sørger for fokusering. Bemærk de to Dees 35 ASTRID mikrotron (Standing-Wave) kavitet (3 GHz) 36 18

19 Racetrack mikrotron Stor energitilvækst pr. gang ved brug af flere kaviteter (linacstruktur) Maskinen bygger på, at væksten i banelængde pr. omgang er konstant, og et multiplum af RF-bølgelængden. 2πΔr n ΔT = = c ν RF p pc men Br = = = q qc 2πΔE n og altså qbc E qc ΔE, så Δr = qbc = eller ΔE = 2 ν RF nqbc 2πν 2 RF Væksten i banelængde skyldes massetilvæksten, der er lig med energitilvæksten. Maskinen afhænger altså af, at hastigheden er konstant, og den fungerer derfor kun hvis E>>E 0 i HELE maskinen. I ASTRID mikrotronen er B=1.12T, ν RF =3GHz og n=1. Dvs at med q=1.6*10-19 C og c=3*10 8 m/s fås ΔE=8.56*10 13 J = 5.3MeV MeV mikrotronen Dipolmagnet ΔE =5.3MeV Solenoide ν = 3GHz V+H Korrektionsdipol Δr =1.915 cm Strømtransformer Magnetisk spejl Kvadrupolmagnet RF-kavitet Skala (cm) Elektronkanon 70kV 38 19

20 Accelerationsprincipper 3 Acceleration med induktion n C F ds Maxwell: r r 1 B r E + = 0 c t 1 d Esds = C c dt F B df n 39 Betatron Foreslået af Wideröe 1923 Kaldes også stråletransformer Specielt egnet til elektroner Energigrænse sat af synkrotronstråling Bruges stadig som hård røntgenkilde (Simpel!) 40 20

21 B B Hz Betatron Flux gennem kernen : Φ = Bda = 2πr Φ Elektromotorisk kraft ε = Eds = t dp e dφ Kraft på partiklerne = ee = dt 2πr dt Konstant r medfører at idet p = eb0r dp db0 har vi = er dt dt e dφ db0 1 dφ db0 Vi har nu = er = 2 2 2πr dt dt πr dt dt d B db0 = 2 dt dt Energigrænse er bestemt af max B-felt og tab til stråling (prop. med E 4 ) S k B 41 Betatron Her ses Donald Kerst på Univ. of Illinois i Chicago med sine to første betatroner. På bordet den første fra 1940, i baggrunden en 22MeV model fra Her er så en lidt større model, en 300 MeV betatron på Univ. of Illinois under montering i

22 Betatron Verdens første medicinske anvendelse af en betatron fandt sted på University of Saskatchewan i Canada d. 29 marts Betatron Betatronen blev hurtigt udbredt til medicinsk anvendelse. Her ses en bestrålingsfacilitet fra 1952 baseret på en betatron. En Siemens 15MeV medicinsk betatron fra

23 Synkrotronen Marcus Oliphant, 1943: En ring af magneter, hvis felt kan ændres så partiklerne kan holdes kørende på en cirkulær bane med konstant radius under acceleration. Fokusering tvinger partiklerne mod idealbanen Separate accelerationsstrækninger med RF-kaviteter. 1944: Veksler opdager princippet om fasestabilitet, der gør stabil acceleration mulig. 1948: Planerne for en protonsynkrotron i Brookhaven, NY, bliver godkendt samtidig med Bevatronen på Berkeley. Cosmotronen i Brookhaven nåede først over 1GeV i 1952, og sin designenergi på 3.3GeV i Fokusering: Kvadrupolmagneter B F B y x og F x og x B y x F y y Horisontal fokusering og vertikal defokusering for elektroner der bevæger sig ind i billedet

24 Fokusering: Kvadrupolmagneter Horisontalt: Vertikalt: 47 Synkrotron 48 24

25 Cosmotronen Her er Cosmotronen under opstilling. De C-formede magneter er over 3 meter høje, og vender alle gabet udaf. Maskinen bestod af 288 af disse magneter i 4 sektioner. 49 Cosmotronen: Dipoler 50 25

26 Cosmotronen / fokusering Cosmotronen var en svagt-fokuserende maskine, og beamekskursionerne derfor store. Vacuumkammeret var ca 20*60 cm. Senere blev det foreslået at vende nogle af magneterne, med det resultat, at fokuseringen forbedredes betydeligt: AG synchrotronen var født. Ovenfor: Det er en Cosmotronmagnet til venstre, og en AGS (også på Brookhaven) magnet til højre. CERN s PS (1958) er også en AG synchrotron 51 Elektronkilder Elektroner kan frembringes blot med en glødetråd, hvorfra elektronerne ekstraheres med et elektrisk felt. Meget mere effektivt (højere strøm) er det dog at benytte en katode, hvor det emitterende lag består af et materiale med lav arbejdsfunktion, som f.eks. Barium, Scandium, Thorium etc. I en katode som vist til venstre opvarmes det emitterende lag indirekte af et filament. Det emitterende lag består af en et porøst Wolframlag imprægneret med f.eks. BaO. Ved opvarmning diffunderer Ba til overfladen. En sådan katode kan emittere 3-5A/cm 2 DC eller 15A/cm 2 pulseret

27 Elektronkilder Her ses elektronkanonen fra vores mikrotron på ASTRID. Til venstre ses katoden monteret øverst. Den er ca 3 mm i diameter. Ovenfor ses katoden i midten af den fokuserende elektrode,. 53 Ionkilder (Plasma / Nielsen) Her ses en standard plasmakilde af den type vi ofte anvender på IFA. Den gas der ønskes ioniseret beskydes med elektroner fra et filament (øverst tv) og ekstraheres af en anodespænding. En ovn kan skydes ind i ioniseringskammeret, således at faste stoffer kan fordampes og ioniseres. Denne type har været anvendt til positive ioner af mange stoffer lige fra H + til C Til venstre ses en færdigmonteret plasma ionkilde. 27

28 Ionkilder (Electron Cyclotron Resonance (ECR)) I en ECR kilde foregår ioniseringen ved hjælp af RF, typisk flere hundrede watt ved GHz. Ionerne holdes på plads i en minimum B-konfiguration, hvor feltet øger i alle retninger, således at confinement tiden kan være lang. Velegnet til høje ioniseringstrin og store strømme Til højre ses en kommerciel ECR ionkilde. Den kan producere ma enkeltladet af de fleste gasser, og f.eks. op til 300μA O 4+ eller C 4+. Den benytter permanente magneter til både det radiale og longitudinale felt, dvs. billig i strøm og køling! 55 28