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Beschleunigerphysik I (WS17/18)

Dozent

Vorlesung:

Vorlesung für Studierende im Bachelor- oder Masterstudiengang im Umfang 3V + 1Ü  (6 Credits)

Die Vorlesung Beschleunigerphysik wird in zwei Teilen angeboten. Beschleunigerphysik I  im WS (3V+1Ü = 6 Credits), Beschleunigerphysik II im SS (2V+1Ü+1S = 6 Credits). Insgesamt sind dann 2 mal 6 = 12 Credits zu erwerben. Das Modul Beschleunigerphysik im Masterstudiengang besteht aus den Teilen I und II und wird im Wahlpflichtbereich des Masterstudiengangs Physik gewertet.

Vorlesungszeiten:

  • Donnerstag, 1415 bis 1700 im Seminarraum des DELTA-Gebäudes, Maria Goeppert Mayer-Str. 2

Start der Vorlesung und Vorbesprechung: Donnerstag, d. 12. Oktober 2017,  1415 im Seminarraum DELTA

Gewünschte Vorkenntnisse: Physik I, Physik II, Physik III oder äquivalente Vorkenntnisse

Aktuell: 

Am letzten Vorlesungstag des Semesters, also am Donnerstag, d. 1.2.2018 findet eine Besichtigung der Speicherringanlage DELTA in Gruppen statt. Genaueres in der Vorlesung.

Inhalt der Vorlesung:

Anforderungen an Teilchenbeschleuniger, historische Entwicklung, wichtige Typen und heutige Anwendungen, Erzeugung von Teilchenstrahlen in Quellen und Strahlformierung, Grundlagen der Optik geladener Teilchen, Strahlfokussierung in 3 Dimensionen, Strahlführungselemente, Hochfrequenz-(HF)-Anwendungen, Hohlleiter und -resonatoren, relativistische Elektrodynamik geladener Teilchen, Grundlagen der Synchrotronstrahlung, Strahlungsdämpfung, Eigenschaften moderner Synchrotronstrahlungsquellen, moderne Strahlungserzeuger, Undulatoren, Wiggler

Modulabschlussprüfungen

Voraussetzungen zur Zulassung zur Modulabschlussprüfung sind die regelmäßige und erfolgreiche Teilnahme an den Übungen.

Die Modulabschlussprüfung für Studierende, die im Bachelor- oder Masterstudiengang nur die Vorlesung Beschleunigerphysik I hören, findet als mündliche Prüfung über die Inhalte der Vorlesung Beschleunigerphysik I statt.

Die Modulabschlussprüfung für Studierende, die im Masterstudiengang die Vorlesungen Beschleunigerphysik I und II (Modul Beschleunigerphysik im Wahlpflichtbereich) hören, findet als mündliche Prüfung über die Inhalte der Vorlesungen Beschleunigerphysik I und II statt.

Übungen

Hinweis: Denken Sie daran, dass die aktive Beschäftigung mit dem Stoff der Vorlesung und die regelmäßige Teilnahme an den Übungen essentielle Voraussetzungen für eine erfolgreiche Erarbeitung der Vorlesungsinhalte sind.

Die erfolgreiche Teilnahme an den Übungen ist ebenfalls Zulassungsvoraussetzung für die Modulabschlussprüfung.

Die Übungen starten erst in der 2. Vorlesungswoche. Über die Zeiten können wir uns noch verständigen. Das Übungsblatt 0 wird vor dem Beginn der Vorlesung ins Netz gestellt. Die Ausarbeitungen sind freiwillig und können zur ersten Übung abgeben werden. Die Besprechung erfolgt in der zweiten Vorlesungswoche.

Gruppe # Termin Raum
1

Di 10 - 11

DELTA-SR

2

Fr 9 - 10

 DELTA-SR

Übungsblätter

Blatt

Abgabedatum

Ü-Blatt 00 19.10.2017
Ü-Blatt 01 19.10.2017
Ü-Blatt 02 26.10.2017
Ü-Blatt 03 02.11.2017
Ü-Blatt 04 09.11.2017
Ü-Blatt 05 16.11.2107
Ü-Blatt 06 23.11.2017
Ü-Blatt 07 30.11.2017
Ü-Blatt 08 07.12.2017
Ü-Blatt 09 14.12.2017
Ü-Blatt 10 21.12.2017
Ü-Blatt 11 11.01.2018
Ü-Blatt 12 18.01.2018
Ü-Blatt 13 25.01.2018

Material zur Vorlesung

Vorlesungsunterlagen vom 12.10.2017

Kapitel 1: Organisation der Vorlesung, Inhalt, Übungen, Berufsfelder für Beschleunigerphysiker, Bedarf     hier

Kapitel 2: Einleitung und Grundlagen, Kräfte und Dynamik, relativistische Bewegung, Äquivalenz von Masse und Energie, kurze Historie der Beschleuniger        hier

Eine kurzgefasste Beschleunigerhistorie von W.H.K. Panofsky    hier

Vorlesungsunterlagen vom 19.10.2017

weiter Kapitel 2: Einleitung und Grundlagen, Anwendung von Beschleunigern, Übersicht über einige Beschleunigeranlagen, Aufgabe von Beschleunigern, Anforderungen bezüglich Energie, Intensität und Qualität, Collider, Schwerpunktsenergie, Luminosität, Strahlintensität und -qualität  

Kapitel 3: Teilchenbeschleuniger/Prinzipien, Gleichspannungsbeschleuniger und ihre Grenzen, Erzeugung hoher Spannungen, Tandem-Prinzip, Prinzip der Hochfrequenz-HF-Beschleunigung, Prinzip der Hochfrequenz-HF-Beschleunigung, Beispiele, Pulsstruktur, Stabilität, Beispiele für Steh- und Wanderwellenstrukturen, Zyklotron, Mikrotron

hier          hier            hier

Vorlesungsunterlagen vom 26.10.2017

weiter Kapitel 3: Teilchenbeschleuniger/Prinzipien,  Betatron, Synchrotron, Speicherring, Ringcollider, Beispiele: LEP. LHC, supraleitende Dipole

Kapitel 4: Transversale Dynamik des Einzelteilchens, Rekapitulation der Elektrostatik, elektrostat. Potential, Poisson- und Laplacegleichung, Grundproblem der Elektrostatik, elektrostatischer Quadrupol, Teilchenfokussierung allgemein, AG-Fokussierung, Magnetisches Potential und magnetischer Dipol, Berechnung eines C-Magneten Magnetostatik mit ferromagnetischen Materialien, magnetisches Potential, Berechnung von Dipolen, Quadrupolen, Sextupolen, AG-Fokussierung, Bewegung von Teilchen in magnetischen Feldern, Multipolentwicklung, mitbewegtes Koordinatensystem, Teilchentrajektorie, Bewegungsgleichung in Drift und Quadrupol, bei schwacher Fokussierung, bei Dispersion, Hillsche Differentialgleichung der Bewegung, Lösungen für das Einzelteilchen, 2x2-Matrizen von Drift, Quadrupol, Dipol

hier       hier

Vorlesungsunterlagen vom 2.11.2017

weiter Kapitel 4: Transversale Dynamik des Einzelteilchens, Kantenfokussierung, Teilchentransformation durch eine Magnetstruktur, Dispersion und momentum compaction-Faktor.

Kapitel 5: Transversale Dynamik des Teilchenensembles, Lösung der Hillschen DGL für den Gesamtstrahl, quasioszillatorische Lösung für das Einzelteilchen, ß-Funktion, Phasenvorschub, Enveloppe, Enveloppengleichung, transversaler Phasenraum und Emittanz, optische Parameter, Zusammenfassung lineare Optik, Liouvillescher Satz, Akzeptanz, Transfromation der optischen Parameter, Konzept der Betamatrix, Verlauf der ß-Funktion in der Umgebung einer Strahltaille

hier

Vorlesungsunterlagen vom 9.11.2017

weiter Kapitel 5: Transversale Dynamik des Teilchenensembles, Anpassung der Strahloptik, Berechnung der optischen Funktionen bei Kreisbeschleunigern, Periodizitäts- und Symmetriebedingungen, Beispiele für die Anpassung der Strahloptik, FODO-Zelle, Double-Bend-Achromat-Zelle, Periodische Lösung der Hillschen DGL, Beispiel FODO-Zelle, Arbeitspunkt, Betatronfrequnzen, Floquettheorem, Floquet-Transformation, Kohärente Dynamik der Teilchenbewegung

hier

Vorlesungsunterlagen vom 16.11.2017

weiter Kapitel 5: Transversale Dynamik des Teilchenensembles, Optische Resonanzen, Arbeitspunkt-Diagramm, Einfluss von Feldfehlern, Gradientenfehler von Quadrupolen, Messung der ß-Funktion
Kapitel 6: Nichtlineare Effekte der Teilchendynamik, Chromatizität, Berechnung und Kompensation durch Sextupolfelder, dynamische Apertur, deterministisches Chaos bei nichtlinearer Optik, Teilchentracking
Kapitel 7: Elektronenoptik, Paraxialgleichung, Beschreibung der Teilchentrajektorien in rotationssymmetrischen statischen elektrischen und magnetischen Feldern, Busch-Theorem, Ableitung der Paraxialgleichung, Beispiele: Elektrostatische Linse, Solenoid, Kopplung der transversalen Ebenen

hier

Vorlesungsunterlagen vom 23.11.2017

Kapitel 8: Injektion in einen Speicherring, Septum-Kicker-Schema, longitudinales und transversales Stacking, Akkumulation, Funktionsweise und Aufbau, Auslegung von Kicker und Septa, Erzeugung von Halbwellenpulsen, aktuelles Forschungsthema: Injektion durch nichtlineare Kicker,  Aufbau und Funktionsweise

Kapitel 9: Hochfrequenzsysteme für Beschleuniger, Einleitung, geführte EM-Wellen in Hohlleitern, Darstellung der Transversalkomponenten der Felder als Funktion der Longitudinalkomponenten, TE- und TM-Wellen, Randbedingungen, Wellenwiderstand, Rechteck-Hohlleiter, zylindrischer Hohlleiter, cut-off-Frequenz, Dispersionsrelation, Phasen- und Gruppengeschwindigkeit, Felder der TE10-Mode im Rechteck-Hohlleiter, der TM01-Mode im zylindrischen Hohlleiter, Eigenfrequenz, TM010-Beschleunigermode, Einzelresonator am Beispiel des DELTA-Resonators

hier

Vorlesungsunterlagen vom 30.11.2017

weiter Kapitel 9: Hochfrequenzsysteme für Beschleuniger, Dämpfung höherer Moden, Güte eines Resonators, Bandbreite, Oberflächenstromdichten, Oberflächenwiderstand, Skintiefe, gespeicherte Energie, Verlustleistung, Resonatorgüte, Shuntimpedanz, Beschleunigungsgradient, mehrzellige gekoppelte Stehwellen-Strukturen, kapazitive und induktive Kopplung, Dispersionsrelation, Beispiele, Anwendung höherer TE-Moden, Normalleitung versus Supraleitung

Kapitel 10: Longitudinale Teilchendynamik, Phasenfokussierung, Synchrotronfrequenz, Dynamik der Phasenfokussierung in der Näherung für kleine Winkel, Momentum-compaction-Faktor, Energieschwingung als gedämpfter harmonischer Oszillator, Übergangsenergie, longitudinaler Phasenraum, Phasenstabiler Bereich, Separatrix, Energieakzeptanz

hier

Vorlesungsunterlagen vom 07.12.2017

Zusatz Kapitel 9: Hochfrequenzsysteme für Beschleuniger, Wanderwellenstrukturen für Linearbeschleuniger, Funktion der Irisblenden, Dispersionsdiagramm für Wanderwellenstrukturen, Moden, Hochleistungs-HF-Sender, Funktion eines Klystrons, Beispiel, Erzeugung der Hochspannung durch Modulator, Pulse-Forming-Network.

Kapitel 11: Synchrotronstrahlung, allgemeine Bemerkungen, die beschleunigte Ladung, Liénard-Wiechert-Potentiale, Fernfeldnäherung, abgestrahlte Leistung, Strahlungscharakteristik in nichtrelativistischer Näherung, Synchrotronstrahlung,Abstrahlung bei der Kreisbeschleunigung, Energieverlust pro Umlauf, Beispiele, Intensität, Grenze der Teilchenenergie von Elektronen in Kreisbeschleunigern (LEP/CERN)

hier         

Radiation2D-Simulationsprogramm   hier

Vorlesungsunterlagen vom 14.12.2017

weiter Kapitel 11: Synchrotronstrahlung, Winkelverteilung der Synchrotronstrahlung für relativitische Elektronen, Zeitstruktur und Strahlungsspektrum, spektrale Verteilung nach Schwinger, kritische Frequenz und Energie, Brillanz der Synchrotronstrahlung, Zusammenfassung Synchrotronstrahlung und Strahlungsquellen, zeitliche Entwicklung der Performance, ESRF Grenoble

Kapitel 12: Strahlungseffekte, Longitudinale Strahlungsdämpfung, Dämpfungskonstante, Abhängigkeit von der Magnetstruktur, transversale Strahlungsdämpfung, Strahlungskonstanten, Robinsontheorem, Gleichgewichtsemittanz, Heizung des Strahls als Quanteneffekt, Gleichgewichtsemittanz und  Fokussierstärke, H-Funktion, Optimierung der H-Funktion, Chasman-Green-Magnetstruktur, Beispiele für Niedrigemittanz-Achromate bei Strahlungsquellen, Kopplung der transversalen Ebenen

hier

Vorlesungsunterlagen vom 21.12.2017

Kapitel 13: Strahllebensdauer, Verlustmechanismen, Gesamtstrahllebensdauer, elastische Restgasstreuung, Coulombstreuung, inelastische Restgasstreuung, Bremsstrahlung, Quantum-Lebensdauer, Touschek-Lebensdauer als Beispiel für Intra-Beam-Scattering, Beispiel DELTA.

Kapitel 14: Supraleitung in der Beschleunigerphysik, Einführung, Supraleiter 1., 2. und 3. Art, Meißner-Ochsenfeld Effekt, Anwendung harter Supraleiter für Hochfeldmagnete, kurzer Abriss der Grundlagen der Supraleitung, Hochtemperatur-Supraleiter, Erzeugung hoher Magnetfelder, Beispiel LHC-Dipol, Erzeugung von Multipolfeldern durch axiale Strompfade in supraleitenden Spulen, Vektorpotential eines langen, axialen Strompfades, Vektorpotential einer Stromverteilung, Stromschalen, Beispiel

Kapitel 15: Strahlungserzeuger: Wiggler und Undulatoren, magnetisches Feld, Beispiele: elektromagnetischer Undulator, Permanentmagnetundulator, Hybridbauweise, Abgleich der Felder, Bewegungsgleichung im W/U-Magnet, Trajektorie, Bahnwinkel, Undulatorparameter K, Unterscheidung zwischen Undulator und Wiggler

hier

Vorlesungsunterlagen vom 11.01.2018

weiter Kapitel 15: Strahlungserzeuger: Wiggler und Undulatoren, Wiederholung Bahnbewegung Undulator und Wiggler, Kohärente Undulatorstrahlung, horizontale und longitudinale Teilchenbewegung im Undulator, Betrachtung im mitbewegten Koordinatensystem, Kohärenzbedingung, Beispiele

hier

Vorlesungsunterlagen vom 18.01.2018

weiter Kapitel 15: Strahlungserzeuger: Wiggler und Undulatoren,  Kohärente Undulatorstrahlung, spektrale Intensitätsverteilung, Länge eines Wellenzugs im Undulator, Fourieranalyse, Linienbreite der Undulatorstrahlung, Undulatorspektrum, Beispiele

Kapitel 16: Strahldiagnose an Teilchenbeschleunigern, Einführung und Übersicht, Szintillatordetektor, Ionisationskammer, Szintillationsschirme, Messung der Strahlposition, Aufbau eines BPM, kapazitiver BPM, Funktionsweise und Betriebsmodi, Shoe-Box-BPM als Beispiel, Button-BPM mit hoher Grenzfrequenz, Beispiel zu DELTA, Nichtlinearität und Vermessung, BPM-Elektroniken, Erfassung von Strahllagedaten, Anwendungen an der Maschine, Orbitkorrektur, Strahllage-Korrektoren, Responsematrix und Korrektur über Pseudoinverse der Responsematrix

hier

Vorlesungsunterlagen vom 25.01.2018

weiter Kapitel 16: Strahldiagnose an Teilchenbeschleunigern,

Literatur zur Vorlesung

Literatur zur Vorlesung finden Sie hier