ma inzer mi krotron mami : a precision accelerator for nucleon structure investigations
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MA inzer MI krotron MAMI : A precision accelerator for nucleon structure investigations. Kurt Aulenbacher Reactor Training Course U-South Carolina May, 28, 2008. l : Wavelength. d: object size. d:. required resolution. l < d. l :. Lightwaves and particle waves. l :. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
MAinzer MIkrotron MAMI:A precision accelerator
for nucleon structure investigations
Kurt Aulenbacher
Reactor Training CourseU-South Carolina
May, 28, 2008
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
d:d: object size
: Wavelength
< drequired resolution
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
:
visible light : =400 – 700nm
Lightwaves and particle waves
For particle-waves =h/p :E~100keV: electron microscope E~1000MeV: ‚nucleon‘ structure ‚microscope‘
:
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
nucleus: a few 10-15 m(0,0001 × Diameter of Atom)
Atom
Kern
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
Electron(1898)
Nucleus, z.B. Helium:Proton(1919) and Neutron(1931) (Nucleons)
(pointlike ,charge e-)
Proton: 10-15m, charge e+
Neutron: 10-15m, „neutral“
pp
n
n
e
very complicated ‚many body‘
system
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
UHV ~ -100.000V
ElektrostaticAcceleration,
kinetic Energy of Electrons: E = 100.000eV( d.h. v= 54,8% •c = 164.350km/s
= 4 • 10-12m )
Vacuum
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
Microwave Resonating Structure with longitudinal field components and
appr. phase shifts
25.000 WPower
…allows for nearly continous energy transfer from field to particle!
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
surf
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
surf
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
surf
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
surfin’ onthe wave
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
2 Meter, 25.000W cw Hf, 1.800.000eV
Linac Section
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 3301 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
Achieving several hundred MeV by brute force: LINAC
For c.w. 800MeV required: (LINAC): - ca. 400 Sections - ca. 1km length - 15MWc.w. high frequency power
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
2 Dipole Magnets + n LINAC Passages
z.B.: LINAC: 7,5MeV, 90Turns 675MeV total ( 125kW Hf-Power)
Much more efficient:The RaceTrack Mikrotron (RTM)
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
Three stage acceleration
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
RTM 390 Rezirkulationen
850MeV3.5MeV
RTM 118 Rezirkulationen
15MeV
RTM 251 Rezirkulationen
180MeV
LINAC
Elektronenquelle100keV
Operating since 1990 for more than 100000 hours
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
1990-2006:MAMI-B
450 Tonnen, 1.28T
still not enough: 1500 MeV desired!MAMI-C
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
2000 to 2000 to
250 to
250 to250 to
250 to
The double sided microtron(K.H. Kaiser et al.)
43 Turns, 855MeV 1,5GeV
450 to450 to
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
855MeV 1500MeVHarmonic Double Sided Microtron Mikrotron (HDSM)
LINAC I (4 .90G Hz)
LINAC II (2.45G Hz)
10m
43 Um läufeB =1.539Tm ax
In jektion 855M eV
Extraktion 1507M eV
No. 2
No. 1No. 4
No. 3
M atching Sektion4.90G Hz
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
Successful start up: 19. Dezember 2006
The HDSM, a world wide unique microtron variant
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
Beispiel:E=1508MeV ± 0.030MeV (0.002%)I= ~ pA – 100AStrahlposition konstant auf ~ 10m
1
3
2?
The Goal: Understanding the ‚Nucleon‘
“Vielkörperstruktur stark wechselwirkender Systeme”
knowing 1 + 2 + 3:-get to know ?Koinzidenz-Experiments need cw-beams !
Nukleon (Proton, Neutron) ~ 10-15m
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
Das KAOS Spektrometer = Nachweis von Kaonen
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
Grundriss vonMAMI C
(ca. 6500 Stunden Betrieb pro Jahr)
Diplomanden und Doktorandenin experimenteller und theoretischerKern- und Teilchenphysik, Beschleunigerphysik
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
MAinzer MIkrotron MAMI:Practical Training: Irradiation and
induced radioactivy
Kurt Aulenbacher
Reactor Training CourseU-South Carolina
May, 28, 2008
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
Our program this afternoonTwo groups, exchanging after
about 1 hour
• Irradiation of samples with MAMI at 855MeV and simultaneous measurement of neutron radiation field in accesible area., Hall clearance and installation of ‚cut off‘ area
• Investigation/identifaction of induced radioactivity: by gamma spectroscopy
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
Aerial view:
RTM 1 + 2
RTM 3
Accelerator and experiments are completely underground typically 10-15 meters deep below ground level!
Hier sind wir !
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
Radiation and Radioisotopes at MAMI
• high power (150kW), high energy particle sourceno persons allowed in areas where accelerator operates
• secondary radiation : gamma rays (Bremsstrahlung up to 1500MeV)
• tertiary radiation: Photoneutrons (up to 1000MeV)• neutral particles are more difficult to shield due to
missing continous ionisation!• Primary radiation disappears after shutdown, induced
radioistopes may persist!
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
I. MAMI-B (Halle A + B + C)
Example:Operation modus
Sperrbereich (’cut off’ area )
permanent cut off due to induced radioactivity
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
100A bei 1.500.000.000eV= 150kW Leistung
II. Exp op.:(Spektrometerhalle)
Op-modus
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
300kW High power beam dump () Al-beads/Water (Vol60/40Strahlungslänge 14cm)Transferefficiency Beam-powerwater >95%Shielding 1.5 Meter heavy concrete + 6meter soil. (upwards),
Vorl
Rückl.
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
e
p
High energy accelerators E>100MeVhave very complicated radiation field. Proton worse than than electron.
Electrons (primary)Bremsstrahlung (secondary) Photohadrons (tertiary)
Neutral components are difficult to shield
against:
Photons and Neutrons
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
Charged particles are easy to shield !…but electrons create (neutral) gamma radiation
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
Interaction Gamma-radiation
• Photoeffect: ~E-7/2, ~Z4
– dominant for E < 100 keV
– efficient with high nuclear charge Z
– Elektronen der K-Schale
• Comptonscattering: ~E-1, ~ Z/A– dominant 100 keV < E < 10 MeV
• Paircreation: ~ln(E) (0<1MeV) ~Z2
– dominant ~ 10 MeV < E
– Absorbermaterial mit hoher Ordnungszahl
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
Sum of cross sections and cascade
High energies: Pair creation dominant:
e++e-22e++2e-44e++4e-
typical length scale: ‚radiation length‘Pb: 0.56cm/Fe:1.76cm/heavy concrete: 5cm /Water 36cm
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität Pb d = 1,27 cm
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
Pair creation leads to a large number of ionizing particles
dose increases (at first)with shielding thickness.
In deeper layers main energy dissipation by compton scatteringexponetial damping of energy flux and associated dose.
Typical attenuation constant: =1/(50cm2*g-1)
6 GeV Elektronen
Shielding thickness at MAMI in forward directionat least 5 Meter heavy concrete (or äquivalent)
lateral: 2 Meter
Due to relativsitic effect energy transport remains concentrated in narrow forward cone
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
Photo-Neutrons
Photo-Neutrons for E< 100 MeV by Giant resonance neutrons!
for >170MeV:HE-neutrons by Pion production
p++n
These are much more difficult to shield!
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
Dose rate behind thick shielding
d
mVFODL FL 1
*exp*~
angle/Grad 30 60 90
sand 94 g/cm2 89 g/cm2 89 g/cm2
concrete 100 g/cm2 92 g/cm2 92 g/cm2
Heavy concrete
115 g/cm2 112 g/cm2 106 g/cm2
mFL … Massenbelegungλ(;E)Abschwächungskonstanted … Abstand zum Strahlungsort
Liefert a.a.O. 54Sv/h bei 150 Watt. we are here…
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
X1 area in forward direction of (low power) beam dump
Kurt Aulenbacher , Institut für Kernphysik, Johannes Gutenberg-Universität
Low power beam-set-up beam dump: irradiation of test samples (Cu,Fe,Al)
X1 area isaccessible ‚controlled areaduring beam dump operation. (1meter iron+2 Meters heavy concrete shielding)
Todays exercise: I) comparison of standard neutron monitorwith ‚wide range‘ detectorII) investigation of irradiated samples by -spectroscopy