Aceleradores de Particulas II

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Aceleradores de PartculasThiago TomeiIFT-UNESPMaro 200911/03/09 Partculas I, Thiago Tomei 2PreldioLeis de Maxwell:Fora de Lorentz:Para aplicaes futuras:Movimento relativstico em campo B uniforme:o raio de curvatura:E= jc0 , B Ec2t=j0 JB=0 , E + Bt =0d pdt =q( E+vB)o=q Bm , d vd t =vo-v(t )=v3e3+oR(e1i e2)ei otR= pTqB , pT=( p12+p22)1/ 2B=Be311/03/09 Partculas I, Thiago Tomei 3Aceleradores LinearesPartculas aceleradas em trajetrias retas.Vantagem: perdas por radiao so desprezveis.Desvantagem: passagem nica por setor de acelerao.Diferentes propostas:Campos eletrostticos.Par de eletrodos.Cockroft-Walton.Van de Graaff.Campos de RF.Estruturas de WideroeEstrutura de Alvarez.Cavidades ressonantes.11/03/09 Partculas I, Thiago Tomei 4Stanford Linear Accelerator CenterComprimento: 3.2 km.Energia: eltrons e psitrons a 50 GeV.Luminosidade: 1.2069 x 1034 / cm2 s (PEP-II)Fornecimento de feixe: SLC (Stanford Linear Collider): colises e+/e-, ECM = 92 GeV. PEP-II: colises e+/e-, ECM = 10.58 GeV.11/03/09 Partculas I, Thiago Tomei 5Aceleradores EletrostticosPar de eletrodos.Ganho de energia:E=ZVRuptura dieltrica a partir de campos da ordem 10 MV/m.Dependente da resistncia dieltrica entre os eletrodos.altavoltagemcatodo anodo +feixedee11/03/09 Partculas I, Thiago Tomei 6Cockcroft-WaltonCockcroft-Walton de 1MV, 1937.National Science Museum, Londres. 2U04U0U0sintEncadeamento de circuito simples (vermelho).No circuito simples, o capacitor marcado com a seta carrega at o dobro da tenso de entrada. Encadeamento: Uout = 2 N U0Ainda suscetvel a ruptura dieltrica.Usado hoje como 1o estgio em complexos de acelerao.11/03/09 Partculas I, Thiago Tomei 7Van de GraaffEletrodo pontiagudo (2 e 7)Forma de escovas com pontas de metal.Eletrodo (2) ligado esfera condutora (1).Eletrodo (7) ligado a alta tenso DC (+).Esteira rolante (4 e 5)Feita de matrial dieltrico.Movimentao de carga.Esfera condutora oca (1)Carga acumulada na parte externa.11/03/09 Partculas I, Thiago Tomei 8Busca por AlternativasRuptura dieltrica fraqueza comum de aceleradores eletrostticos.Paliativo: dieltricos de alta resistncia dieltricaFreon, hexafluoreto de enxofre.Alternativa: campos no-eletrostticos.Possibilidades:Campos de induo.Exemplos: LINAC de induo, betatron (circular).Campos RF:Cavidades ressonantes.Esquemas de tubos de vo livre.11/03/09 Partculas I, Thiago Tomei 9Aceleradores de RFPreldio: Cavidade RessonanteSeparao entre campos transversos e longitudinais.Basta resolver p/ os campos longitudinais pode-se mostrarque os campos transversos so obtidos a partir deles.Assumindo-se o campo da formaintroduzindo o laplaciano transverso:e separando o campo como descrito acimaE( x , y , z , t )=E( x , y) ei (ot k z )( t2+kc2) E=0 , kc2=jco2k2t2=2z2E=Et+Ez z - t2Ez+kc2Ez=011/03/09 Partculas I, Thiago Tomei 10BEbeamAceleradores de RFAssumindo-se:simetria azimutal + modo azimutal fundamental.condies de contorno.modo de frequncia mais baixa. chegamos soluo:Modo TM 010. Os nmeros (mnk) correspondem aos modos azimutal, radial e longitudinal.Modos TM (transverse magnetic) e TE (transverse electric).Modos TM podem ser usados para acelerao de partculas campo E longitudinal.Para o modo 010:Note que em r = 0, o campo puramente eltrico e longitudinal.Ez=E0 J0(kcr)ei otEr=i kkc E0 J 0'(kcr)ei otB=jc oEro010=2.405/.(jc) R11/03/09 Partculas I, Thiago Tomei 11Estrutura de WideroeConjunto de tubos condutores ligados a tenso AC.Polaridades + e paratubos adjacentes.Acelerao nas lacunas entre os tubos.Exposio apenas a campos de acelerao.Campos com sinal errado partculas devem estar na regio sem campo(interior dos tubos).Condio de sincronia:Desvantagens:Carga no gerador AC.Perdas por radiao.Li0.5viT RF11/03/09 Partculas I, Thiago Tomei 12Estrutura de AlvarezEvoluo da estrutura de Wideroe.Envlucro condutor ao redor da estrutura.O conjunto se torna uma cavidade ressonante.Estruturas de focalizao dentro dos tubos de vo.Tpico 2o estgio de acelerao.11/03/09 Partculas I, Thiago Tomei 13Aceleradores CircularesPartculas aceleradas em uma trajetoria fechada.Possibilita repetidas passagens das partculas pelos setores de acelerao.Vantagem: altas energias com menor nmero de setores de acelerao.Desvantagem: perda de energia radiao sncrotronAlternativamente, esse pode ser o objetivo (fonte de luz sncrotron).Diferentes propostas:Cclotron.Sincrocclotron, cclotron iscrono.Sncroton.11/03/09 Partculas I, Thiago Tomei 14Fermi National Accelerator LaboratoryVista area do acelerador Tevatron.Energia: feixes de prtons e antiprtons a 980 GeV.Luminosidade: 2.86 x 1032 / cm2 s.Fornecimento de feixe:D0 (1.96 TeV no CM)CDF (idem)Descoberta do top quark (1995)11/03/09 Partculas I, Thiago Tomei 15CclotronEstrutura:Dois eletrodos ocos sob tenso RF (onda quadrada).Eletro-im campo B axial.FuncionamentoEntre os eletrodos:Campo E acelerao entrada no eletrodo.Dentro do eletrodo:Partcula isolada de ECampo B trajetria circular sada do eletrodo.Inverso da tenso.Trajetria espiral. 11/03/09 Partculas I, Thiago Tomei 16CclotronCaractersticasFrequencia de revoluo independente do raio:Sincronia: uso da mesma frequncia p/ tenso RF.Energia das partculas (para v