DE10334452A1 - Speicherringanordnung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschleunigeranordnung. Dabei handelt es sich um Versuchsvorrichtungen der Hochenergiephysik und dient der Erzeugung von wenigstens einem in der Anordnung auf einer Bahn umlaufenden, geladenen Teilchen, das seine Spineinstellung bei jedem Umlauf an einer jeweiligen Stelle der Bahn beibehält. Dazu weist die erfindungsgemäße Beschleunigeranordnung einen Hohlraum auf, durch welchen eine geschlossene Bahn für ein sich bewegendes, geladenes Teilchen vorgegeben wird. Die Bahn weist eine ungerade Anzahl von Schnittpunkten auf, beispielsweise verläuft sie in Form einer ebenen Acht. Bei den Teilchen handelt es sich beispielsweise um ein oder mehrere Protonen, Elektronen oder Ionen. Die Bahn und die Komponenten des Magnetfelds sind so bemessen bzw. gestaltet, dass ein Integral über die zur Bahnebene senkrechte Komponente (starkes Feld) sowie über alle (viel schwächeren) Komponenten des Magnetfelds in der Ebene über einen gesamten Umlauf der Bahn verschwinden.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschleunigeranordnung vorzugsweise vom Typ Synchrotron. Dabei handelt es sich um Versuchsvorrichtungen der Hochenergiephysik. Bei den bekannten Beschleunigeranordnungen vom Typ Synchrotron handelt es sich dabei im Allgemeinen um im Wesentlichen ringförmige Anordnungen. Zwecke dieser Versuchsanordnungen ist die längerfristige Speicherung hochenergetischer, geladener Teilchen, wie Elektronen und Protonen sowie deren Antiteilchen (Positronen und Antiprotonen) oder schwerer Ionen. Speicherringe dienen zur Durchführung von Versuchen und Anwendungen, bei denen eine große Intensität der jeweiligen Teilchenstrahlen und/oder deren Verfügbarkeit für eine längere Dauer erforderlich ist. Bekannte Speicherringe besitzen Hochfrequenzbeschleunigerstrukturen, um Energieverluste der umlaufenden Teilchen zu kompensieren und diese auf der gewünschten Energie zu halten bzw. sie auf die benötigte Energie zu beschleunigen. Speicherringe wurden auch mit dem Ziel gebaut, sie als Collider einzusetzen; in diesem Fall enthalten sie zwei zueinander gegensinnig umlaufende Strahlen. Zurzeit finden Elektronenspeicherringe zunehmend auch als Quellen für Synchrotronstrahlung Verwendung.
• Bekannte Speicherringe bestehen prinzipiell aus den gleichen Komponenten wie Synchrotrons, also aus Ablenk- und Fokussiermagneten und Beschleunigersektionen sowie einer Vakuumkammer mit planer ringförmiger Struktur auf. Die bekannten im Wesentlichen ringförmigen Anordnungen weisen den Nachteil auf, dass die Spineinstellung der sich in der Anordnung befindlichen Teilchen nicht gezielt eingestellt und nur unter erhöhtem technischen Aufwand stabilisiert werden kann.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Beschleunigeranordnung zu schaffen sowie eine Verwendung dieser Vorrichtung bereitzustellen, die eine verbesserte und preiswerte Durchführung von Versuchen der hochenergetischen Teilchenphysik ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Verwendung gemäß der Ansprüche 7 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die erfindungsgemäße Beschleunigeranordnung hat einen Hohlraum, welcher eine geschlossene Bahn für ein sich bewegendes, geladenes Teilchen vorgibt. Die Bahn weist eine ungerade Anzahl von Schnittpunkten auf. Bei den Teilchen handelt es sich beispielsweise um ein oder mehrere Protonen, Elektronen oder Ionen.
• Zum Beispiel befindet sich im Hohlraum ein Ultrahochvakuum, um ein Zusammenstoßen mit Restatomen und damit Verlust der Teilchen zu vermeiden. Es sind ferner Magnetfelder vorgesehen, welche die Lenkung und Fokussierung des Teilchenstrahls auf der Bahn innerhalb des Hohlraums gewährleisten. Beispielsweise dienen Quadrupol- und Sextupolmagnete zur Fokussierung des Teilchenstrahls. Dipolmagnete dienen beispielsweise der Ablenkung der geladenen Teilchen auf einer dem Hohlraum angepassten Bahn. So genannte Kicker Magnete dienen zur Auslenkung aus dieser Bahn.
• Die Bahn und die zur Bahn senkrechte Komponente des Magnetfelds sind so bemessen bzw. gestaltet, dass ein Integral über die zur Bahn senkrechte Komponente des Magnetfelds über einen gesamten Umlauf der Bahn verschwindet.
• Dadurch wird gewährleistet, dass die Ausrichtung des Spins eines Teilchens in einem Punkt der Bahn, beispielsweise parallel oder senkrecht zum ablenkenden Feld, in der Bahnebene oder aus der Bahnebene heraus weisend, bei Wiederkehr an diesen Punkt nach einem Umlauf entlang der Bahn erhalten bleibt. Damit ist die Spinorientierung an einem gegebenen Ort der Bahn zeitinvariant, obwohl sich die Spinorientierung entlang der Bahn laufend ändert.
• Die anspruchsgemäße Beschleunigeranordnung ermöglicht die verbesserte Stabilisierung des Spins eines umlaufenden geladenen Teilchens. Die beliebige Spinorientierung bleibt demgegenüber bei den bekannten Ringgeometrien nicht erhalten. Die Spinorientierung bestimmt sich im Allgemeinen nach den folgenden Bewegungsgleichungen:

  
• Im Allgemeinen beträgt bei planen Speicherringen die Longitudinalkomponente der magnetischen Flussdichte B →₌ null. Daher verbleibt die Ausrichtung von Spins, welche parallel zur magnetischen Dipol-Feldkomponente B →_⊥ ausgerichtet sind unverändert. Spinkomponenten, welche in einer zum Dipol-Feld orthogonalen Ebene liegen rotieren mit einer um den Faktor (1+γ·G) größeren Frequenz als die Umlauffrequenz. Bei Konstanz des Lorentz-Faktors γ verändert sich dieser Faktor unter stationären Bedingungen nicht entlang der Bahn.
• Da es sich aber bei dem Faktor (1+γ·G) um eine irrationale Zahl handelt, tritt bei den bekannten Speicherringgeometrien im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Anordnung nach wenigen Umläufen ein Verlust aller transversalen Polarisierungen auf.
• Aufgrund der stabilisierenden Wirkung auf den Spin der Teilchen durch die erfindungsgemäße Anordnung sind keine aufwendigen und teuren Maßnahmen zur Spinstabilisierung beispielsweise durch spezielle Magnetanordnungen, wie die so genannte „Siberian Snake" notwendig. Dabei handelt es sich um eine Serie von zusätzlichen Magneten (Serien von Korrekturdipolen), welche um den Teilchenstrahl führenden Hohlraum gewickelt sind, um parallel zum Ablenkfeld auftretenden Depolarisierungseffekten, wie sie von magnetischen Fehlorientierungen – der so genannten Depolarisationsresonanz – verursacht werden, entgegenzuwirken und um Depolarisierungseffekte von Spinkomponenten, die senkrecht zum Ablenkfeld stehen (oben erwähnt) auszuschalten. Solche bisher üblichen Korrektursysteme müssen bei der Beschleunigung (wenn γ sich ändert) nachjustiert werden. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht somit vorteilhaft – weil ohne weitere Nachsteuerung – eine gezielte Spineinstellung als auch eine Spinstabilisierung und eignet sich und verbessert somit die Durchführung von Polarisationsexperimenten.
• Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vorteilhaft vor, dass der die geschlossene Bahn vorgebende Hohlraum im Wesentlichen achtförmig ist. Dadurch kann die Anordnung mit den oben genannten Vorzügen preiswert hergestellt werden. Wiederum sind die Bahn und die zur Bahn senkrechte Komponente des Magnetfelds so bemessen bzw. gestaltet, dass ein Integral über die zur Bahn senkrechte Komponente des Magnetfelds über einen gesamten Umlauf der Bahn verschwindet. Das heißt anders ausgedrückt, die zwei Wegintegrale über die senkrechte Komponente der magnetischen Flussdichte entlang der jeweiligen Bögen der achtförmigen Bahn entsprechen sich in Betrag, sind aber von unterschiedlichem Vorzeichen. Die Rotation der Teilchen auf der Bahn und deren Spin ist darüber hinaus auf den durch den Schnittpunkt getrennten, zwei Bögen der Acht von gleichem Betrag aber unterschiedlichen Vorzeichen.
• In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind ein oder mehrere Solenoidmagnete entlang der Bahn angeordnet. Dadurch können verbliebene longitudinal Komponenten der magnetischen Flussdichte B →₌ kompensiert werden. Ebenso kann eine auf der Umlaufbahn vorgenommene Teilchenbeschleunigung mit der sich daraus ergebenden unsymmetrischen Rotation zum Auftreten einer longitudinal Komponente der magnetischen Flussdichte B →₌ und damit zu einer langsamen Spinbewegung führen. Dies wird durch die Anbringung von Solenoidmagneten entlang der Bahn an geeigneten Positionen kompensiert. Insbesondere den Auswirkungen einer adiabatischen Beschleunigung der Teilchen kann so entgegen gewirkt werden. Darüber Wird durch die Anbringung von Solenoidmagneten die perfekte Kontrolle von systematischen Fehlern bei der Durchführung von Polarisationsexperimenten ermöglicht.
• Eine weitere Ausgestaltung der Anordnung sieht Mittel zur Injektion von polarisierten Teilchen vor. Beispielsweise handelt es sich dabei um Driftröhren durch die die Teilchen beschleunigt und dann in den Hohlraum injiziert, also eingebracht, werden. Durch Vorgabe der Spinpolarisation bei der Injektion in Zusammenspiel mit der stabilisierenden Eigenschaft der Anordnung auf das jeweilige Teilchen, ist gezielt an beliebigem Punkt der Bahn eine beliebige Spinorientierung einstellbar. Ferner können Mittel zur Injektionen auch anderer Teilchensorten, beispielsweise Antiprotonen, vorgesehen sein. Dadurch sammeln sich weitere Teilchen in der Anordnung an, deren Spinorientierung durch die Speicherung und Ansammlung unbeeinflusst bleibt. Beispielsweise können bei der Injektion Polarisationseffekte beim Herstellungsprozess ausgenutzt werden und zusätzliche Teilchen Umlauf für Umlauf hinzugefügt werden.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind vorteilhaft Mittel zur Extraktion der Teilchen vorgesehen, beispielsweise durch schnelle Resonanzmethode oder sehr langsame stochastische Extraktion. Die zuvor genannten Vorteile in Bezug auf die Spinstabilisation gelten auch für extrahierte Teilchen bzw. den Teilchenstrahl. Eine gezielte Spineinstellung kann beispielsweise durch schwache Solenoidmagnete an speziell selektierten Stellen erreicht werden. Bei typischerweise 106 Umläufen pro Sekunde in der Anordnung und einem Solenoidmagenten, der geeignet ist den Spin um einen 10^–6 großen Anteil pro Umdrehung zu drehen, wird innerhalb einer Sekunde jede beliebige transversale Spinausrichtung, die senkrecht zur Flugrichtung ist, erreicht. Ist die gewünschte Ausrichtung in einem Punkt der Bahn erreicht, werden durch Eliminierung der longitudinalen Komponente der magnetischen Flussdichte stabile Versuchsbedingungen geschaffen.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind ein oder mehrere Streuziele in der Bahn angeordnet. Beispielsweise lassen sich so Reaktionen an entsprechend ausreichend dünnen Streuzielen durchführen. Die dadurch ausgelösten Teilchenverluste sind Spin abhängig und bewirken dadurch eine Spinpolarisation der übrig bleibenden, weiterhin umlaufenden Teilchen. Beispielsweise wird dabei stochastisches Kühlen („phase space cooling") angewandt, um ein so genanntes „Blow up" des Teilchenstrahls und damit verbundene Verluste zu vermeiden. In einem zweiten Schritt kann die integrierte Spinpolarisation in einem nachfolgenden Streuexperiment innerhalb des Hohlraums oder am extrahierten Strahl analysiert und in Experimenten verwendet werden.
• Bei der anspruchsgemäßen Verwendung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen zur Erzeugung von hinreichend vielen in der Anordnung auf einer Bahn umlaufenden, geladenen Teilchen verwendet, die ihre Spineinstellung bei jedem Umlauf an einer jeweiligen Stelle der Bahn beibehalten.
• Eine weitere anspruchsgemäße Verwendung sieht die Verwendung der Beschleunigeranordnung zur Erzeugung von gezielten Spinzuständen mehrerer umlaufender, geladener Teilchen vor. Insbesondere die bei der anspruchsgemäßen Vorrichtung vorgesehenen Schnittpunkte, welche die Bahn aufweist, eignen sich zur experimentellen Untersuchung der Teilchen-Teilchen-Wechselwirkung. Die Korrelation in der räumlichen Ausrichtung der Spins zweier gegensinnig umlaufender Teilchen im Schnittpunkt der Bahn ist fest. Beispielsweise lässt sich bei umlaufenden Protonen mit einer jeweiligen zu B →_⊥ parallelen Spinorientierung leicht ein Triplettzustand erzeugen. Dabei ist die Gesamtspinquantenzahl gleich eins und die Ausrichtung ebenfalls parallel zu B →_⊥. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht darüber hinaus Triplettzustände zu erzeugen, bei denen der Gesamtspinvektor eine beliebige Orientierung bezüglich des Magnetfeldes bzw. des Drehimpulses des Massenschwerpunktes aufweist. Gemäß dem Pauli-Prinzip sind dabei nur Spin-Bahn-Konfigurationen der Form S,³P,¹D,³F,... erlaubt. Folglich kann es bei Triplett-Polarisation zu keiner Wechselwirkung der S-Wellenfunktionen geben und bei entsprechend geringen Energien kommt es auch zu keiner hadronischer starken Wechselwirkung. Gleichermaßen lässt sich eine Ausrichtung des Spins bei Singulettzuständen bewirken. Das Quadrat der Masse im Schnittpunkt bei gegebenem Auftreffwinkel ϑ, welcher sich nach dem Bahnverlauf bzw. aus der Geometrie der Anordnung im Schnittpunkt bestimmt, berechnet sich gemäß S=2·(m² – p²cosϑ). Die zugehörige Überschussenergie ergibt sich aus: E = √S – m. Bei frontaler Kollision (ϑ = 180°) nimmt das Massenquadrat maximalen Wert an: S = 2·(m² + p²). Kleinere Auftreffwinkel führen zur jeweiligen Reduzierung der Größen S und E.

Claims (9)

1. Beschleunigeranordnung zur Durchführung von Versuchen der hochenergetischen Teilchenphysik – mit einem Hohlraum welches eine geschlossene Bahn für ein sich bewegendes, geladenes Teilchen vorgibt, wobei die Bahn eine ungerade Anzahl von Schnittpunkten aufweist, – mit Magnetfeldern zur Lenkung und Fokussierung des Teilchens auf der Bahn innerhalb des Hohlraums – wobei die Bahn und die zur Bahnebene senkrechte Komponente des Magnetfelds so bemessen sind, dass ein Integral über die zur Bahn senkrechte Komponente des Magnetfelds über einen gesamten Umlauf der Bahn verschwindet.
2. Beschleunigeranordnung zur Durchführung von Versuchen der hochenergetischen Teilchenphysik nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die in der Bahnebene liegenden Magnetfeld-Komponenten klein sind und ein Integral darüber über einen gesamten Umlauf der Bahn verschwindet.
3. Beschleunigeranordnung zur Durchführung von Versuchen der hochenergetischen Teilchenphysik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der die geschlossene Bahn vorgebende Hohlraum im Wesentlichen achtförmig ist..
4. Beschleunigeranordnung zur Durchführung von Versuchen der hochenergetischen Teilchenphysik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein oder mehrere Solenoidmagneten entlang der Bahn angeordnet sind.
5. Beschleunigeranordnung zur Durchführung von Versuchen der hochenergetischen Teilchenphysik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Mitteln zur Injektion von polarisierten Teilchen.
6. Beschleunigeranordnung zur Durchführung von Versuchen der hochenergetischen Teilchenphysik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Mitteln zur Extraktion von polarisierten Teilchen.
7. Beschleunigeranordnung zur Durchführung von Versuchen der hochenergetischen Teilchenphysik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem Streuziel, welches in der Bahn angeordnet ist.
8. Verwendung einer Beschleunigeranordnung gemäß einer der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, zur Erzeugung von wenigstens einem in der Anordnung auf einer Bahn umlaufenden, geladenen Teilchen, das seine Spineinstellung bei jedem Umlauf an einer jeweiligen Stelle der Bahn beibehält.
9. Verwendung einer Beschleunigeranordnung gemäß einer der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche 1 bis 6, zur Erzeugung von gezielten Spinzuständen mehrerer umlaufender, geladener Teilchen.