Εισαγωγή στους Επιταχυντές I Δρ. Eμμανουήλ Τσεσμελής (CERN) 24-25 Ιουνίου 2008

Εισαγωγή Όλοι οι επιταχυντές αξιοποιούν ηλεκτρικά πεδία για την επιτάχυνση φορτισμένων σωματιδίων (ηλεκτρονίων, πρωτονίων ή βαρύτερων ιόντων) σε υψηλές ενέργειες. Οι απλούστερες μηχανές για σχετικά χαμηλές ενέργειες είναι βασισμένες απάνω σε μια πηγή συνεχούς υψηλής τάσης. Για υψηλότερες ενέργειες είναι αναγκαία η χρήση εναλλασσόμενης τάσης υψηλής συχνότητας και ο προσεκτικός χρονισμός της. Τα παραπάνω ικανοποιούνται στους γραμμικούς και κυκλικούς επιταχυντές.

Η Ιστορία των Επιταχυντών

Γιατί Χρειαζόμαστε Επιταχυντές; Λειτουργούν σαν μικροσκόπια σωματιδίων Το μήκος κύματος σωματιδίων (φωτόνιο, ηλεκτρόνιο, πρωτόνιο,...) είναι από τον de Broglie 1923 λ = h / p h = ανηγμένη σταθερά Planck (= 6.58  10-22  2π MeV s) p = ορμή Όσο μεγαλύτερη είναι η ορμή, τόσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος και καλύτερη η ευκρίνεια. Ενέργεια και μάζα (Einstein 1905) E = mc2 = γ mo c2 Με υψηλότερη ενέργεια παράγονται σωματίδια με υψηλότερη μάζα.

Ο Αγώνας γιά Υψηλότερες Eνέργειες Earnest Rutherford was born, 1871, in Nelson, New Zealand, the fourth child in a family of twelve. His father, James Rutherford, a Scottish wheelwright, emigrated to New Zealand with Ernest's grandfather and the whole family in 1842. 1910, came his greatest contribution to physics when scattering of alpha rays showed the "nucleus" containing almost all the mass of the atom to be concentrated in a minute space at its center. He was a great believer in apparatus improvised from string and sealing wax – My own physics teacher who was a student of Rutherford confirmed this and ironic in that accelerators were to become the most advanced forms of experimental equipment we know. O Rutherford έκανε την αρχή Στό Royal Society του 1928 είπε - “I have long hoped for a source of positive particles more energetic than those emitted from natural radioactive substances”.

Cockcroft και Walton 600 keV 1932 Cavendish Laboratory, Cambridge, UK Ηλεκτροστατικοί επιταχυντές Μονάδες ενέργειας Βασίζεται στό ηλεκτρονιοβόλτ (1 eV = 1.6 10-19 J) 1 eV είναι η ενέργεια που χρειάζεται να κινηθεί σε απόσταση 1 μ. ένα ηλεκτρόνιο με φορτίο e (1.602 x 10-19 C) σε ηλεκτρικό πεδίο με δύναμη 1 V/μ. H μονάδα eV χρησιμοποιείται και σαν μονάδα μάζαs. 600 keV 1932 On the right we see one of the first accelerators to make a discovery in nuclear physics– a far cry from the accelerators you have have learned about at CERN today and you may say, not much relevance to High Energy Physics (300 keV) Burt it was a start.. Cavendish Laboratory, Cambridge, UK

Επιταχυντές Van de Graaff Μία πηγή συνεχούς υψηλήs τάσης (ηλεκτροστατικοί επιταχυντές). Επιταχύνονται σωματίδια μέχρι περίπου 20 MeV. Ο Van de Graaff κατασκεύασε έναν από τους πρώτους μεγάλους επιταχυντές στο MIT Round Hill Experiment Station στις αρχές τιs δεκαετίες του 1930. Τα ηλεκτρόδια πρέπει να είναι λεία και να έχουν σχήμα σφαίρας για να μην σπινθηρίζουν. Σπινθήρες από περιπώματα περιστεριών!!!

Γραμμικοί Επιταχυντές (LINAC) Ising 1924 Τα σωματίδια αποκτούν ενέργεια σε κάθε διάκενο. Το μήκος των κυλίνδρων αυξάνεται καθώς αυξάνει η ταχύτητα των σωματιδίων. Τα μήκη των κυλίνδρων γίνoνται ίσα όταν το ν προσεγγίζει το c.

Το Πρώτο LINAC του Wideroe (1932)

Επιτάχυνση στα LINAC Κλύστρον 1937 1946 Luis Alvarez Ed Ginzton Linacs had to wait 15 years for this technology – the S-band Klystron The high powered klystron was invented, during WWII, by The Varian Brothers and Ed Ginzton. Using it, Bill Hansen invented the electron linac. A succession of machines at Stanford culminated in the two-mile accelerator, SLAC, led by WKH Panofsky. That machine made many important high-energy physics discoveries and then became the injector for PEP and PEP II, and now has become the LCLS. In the years before World War II, Alvarez was particularly prolific, having discovered the capture of electrons in beta decay (K-capture), determined the stability of He3, and measured, with Felix Bloch, the magnetic moment of the neutron. With the start of World War II, Alvarez went to the Radiation Laboratory at MIT, where he worked on ground-based radars. He invented the VIXEN method for detecting enemy submarines and, perhaps most importantly, Ground Controlled Approach radar, which is the basis for all such systems, in use to this day for the safe landing of airplanes throughout the world. Shortly later, Alvarez went to Los Alamos, where he developed the shock wave method of measuring the strength of nuclear explosions. Κλύστρον 1937

FERMILAB LINAC (400 MeV)

Το Εσωτερικό του FERMILAB LINAC

The Stanford Linear Accelerator (SLAC) Ο μεγαλύτερος γραμμικός επιταχυντής πού έχει κατασκευαστεί

International Linear Collider (ILC) Μία διεθνής κοινοπραξία γιά τήν έρευνα και ανάπτυξη ενός γραμμικού επιταχυντή με δέσμες ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων να συγκρούονται σε ενέργειεs των 500 GeV. Το ILC βασίζεται απάνω στήν τεχνολογία υπεραγωγού νιόβιο για το επιταχυντικό σύστημα (35 MeV/μ.)

CLIC – Compact Linear Collider Νέα Τεχνολογία Επιτάχυνσηs >100 MeV/μ

Κύκλοτρον – μία εμπνευσμένη εφεύρεση Ernestς Ernest Lawrence Lawrence read Wideroe's thesis – why not accelerate repetitively. He built many machines for medicine encouraged by his brother John who was a doctor – irradiated his grandmother was a master of fund-raising and publicity. Berkeley University president is reported as complaining that “Instead of a University with a Cyclotron Berkeley has become a cyclotron with a University attached. People told him relativity would limit energies to 30 MeV but he just pushed on and built a 184 inch machine. Φωτογραφία του 11-ιn. κύκλοτρον που κατασκεύασε ο Ernest Lawrence με τούς μεταπτυχιακούς φοιτητές του, David Sloan και Stanley Livingston στήν Καλιφόρνια το 1931 (1.22 MeV).

Πωs Λειτουργεί το Κύκλοτρον; Μαγνητική Ακαμψία Σταθερή συχνότητα περιστροφής

Κάθετη Εστίαση (Vertical Focusing) Τα σωματίδια πρέπει να πειθούν να ταξιδεύουν σε ακτίνα όπου θα επιταχύνονται και μακριά από τούς πάνω και κάτω πόλους του μαγνήτη.

Η Δύναμη Lorentz + Αλλάζει την κατεύθυνση των σωματιδίων Lorentz: Επιτάχυνση των σωματιδίων με το ηλεκτρικό πεδίο να είναι στήν ίδια κατεύθυνση με την ταχύτητα κίνησης

Τα Δίπολα y x s (beam direcion) Οι μαγνήτεs απόκλισης προκαλούν ομοιόμορφο κατακόρυφο διπολικό πεδίο κατά πλάτοs του σωλήνα τηs δέσμηs και συγκρατούν τα σωματίδια σε κυκλική τροχιά. y x s (beam direcion)

Τα Τετράπολα Οι μαγνήτες εστίασης δημιουργούν ένα τετραπολικό πεδίο τεσσάρων πόλων. Ένα θετικό φορτισμένο σωματίδιο κινείται πρόs εμάς. Εστιάζει στό κάθετο επίπεδο και απεστιάζει στο οριζόντιο επίπεδο. + +

Τα Τετράπολα y (vertical) x (horizontal) Η δύναμη είναι ανάλογη με την συντεταγμένη x και y. Σωματίδια μακριά από το κέντρο του μαγνήτη έχουν μεγαλύτερη γωνία στροφήs και συνεπώs μεγαλύτερη διόρθωση.

Η Εφεύρεση του Συγχροτόνιου Από τον Marcus Oliphant – Αυστραλός φυσικός στο Βirmingham τηs Αγγλίας Cyclotrons scale with the cube of the energy – there had to be a better way. Oliphant – an Aussie – later to become Governor of South Australia was on sabbatical from Birmingham to Oak Ridge supervising gaseous diffusion of Uranium for the WWII atom bombs – shame! you may say but at the time many great scientists were too naïve to do otherwise. His boss was a famous cyclotron builder – MacMillan. Marcus Oliphant, (See Sidebar for Oliphant) an Australian physicist who had been working in England at Birmingham University, found himself at Oak Ridge supervising the business of transforming a laboratory experiment for isotope separation into a large scale industrial process. As deputy to E.O. Lawrence he was often given the owl watch and "with little to do unless troubles developed" occupied his time by speculating on plans for his return to Birmingham when war was over. He began to think about the difficulty of scaling up cyclotrons with their huge magnets to higher energy. He suddenly realized that you need only construct the rim of the cyclotron if you pulsed its field to follow the rising energy of a short burst of injected ions. With only a thin ring of magnets to build the whole device should be many meters (nowadays km) in diameter. He wrote a memo to the Directorate of Atomic Energy, UK in which he proposed a new method of acceleration- the synchrotron. His new idea was not greeted with enthusiasm at a time, when more important business was afoot, but, as he left for England at the end of the war, he was encouraged by Lawrence to pursue the idea further. After his return to Birmingham, Oliphant read the comprehensive and beautiful papers by McMillan (a student of Nobel prize-winning Lawrence) and Veksler (a soviet physicist). McMillan described Oliphant’s pulsed ring-magnet idea and announced his own plan to build such a machine — without a single reference to Oliphant. Late in World War II the Woolwich Arsenal Research Laboratory in the UK had bought a betatron to "X-ray" unexploded bombs in the streets of London. Frank Goward converted the betatron into the first “proof of principal” synchrotron. Σχεδίασε το πρώτο σύγχροτρο πρωτονίων αλλά η κατασκευή του άργησε λόγω έλλειψηs πόρων. Τελικά άρχισε να λειτουργεί το 1953 (1 GeV).

Συστατικά Μέρη του Συγχροτρόνιου

Σταθερότητα Φάσης (Phase Stability)