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Dipolmagnet
Funktionsprinzip |
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Damit sich die Teilchen auf einer Kreisbahn im Beschleuniger
bewegen, werden Dipolmagnete eingesetzt. Ein solcher Magnet erzeugt
ein homogenes Magnetfeld zwischen den Polen. Ein homogenes Feld
zeichnet sich dadurch aus, dass seine Feldlinien parallel und
gleichmässig zueinander verlaufen. Wenn nun ein geladenes
Teilchen durch ein solches Feld bewegt wird, entsteht eine Kraft,
die senkrecht zu diesen Feldlinien und senkrecht zur
Bewegungsrichtung der Ladung wirkt. Diese Kraft wird als Lorentzkraft
bezeichnet. Die Ablenkrichtung der Lorenzkraft, hängt von der
Richtung der Magnetfeldlinie, der Bewegungsrichtung der Teilchen (in
Relation zur Ausrichtung der Feldlinien) und ihrer Ladung (negativ
oder positiv) ab. |
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| LHC-Dipolmagnet |
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Um die Protonen auf dem vorgegebenen Radius zu halten, werden 1232
supraleitende Dipolmagnete mit kupferverkleideten Niob-Titan Leitern
verwendet. Die Betriebstemperatur der jeweils 15 Meter langen
Magnete, wird durch das Kühlsystem auf 1.9 K (ca. -271 °C)
gehalten. Die max. magnetische Flussdichte beträgt 8.36 Tesla.
Tesla ist ein Mass für die Magnetfeldstärke. Zum Vergleich
hat ein handelsüblicher Hufeisenmagnet eine Feldstärke von
gerade mal 0.1 Tesla. Die Magnetfelder der Dipole müssen so
stark sein, damit der Strahl noch auf seiner Bahn gehalten werden
kann. Dies kann jedoch nur mit supraleitenden Spulen erreicht
werden, in denen der Strom ohne Widerstand fliesst. Je höher
der Widerstand in einer Spule ist, desto kleiner ist ihr
Wirkungsgrad, da der grösste Teil der eingesetzten Energie, in
Wärme umwandelt würde. Ein Beschleuniger mit
nicht-supraleitenden Magneten und derselben Leistung des LHC's,
hätte einen Umfang von 120 km und bräuchte 30 mal mehr
Energie.
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| Dipolmagnet |
Quelle: CERN |
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| Schematische Darstellung eines
LHC-Dipolmagneten |
Quelle: CERN |
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Strahlrohr
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Um die beiden Strahlrohre (Innendurchmesser 56 mm) herum, befindet
sich eine Spulenhalterung aus nichtmagnetischem Edelstahl. Sie sorg
dafür, dass trotz der starken magnetischen Felder, welche
Zugkräfte im Tonnen-Bereich aufbringen, die Struktur stabil
bleibt. Es folgt ein Rückführungs- und Abschirmungsjoch
aus normalem Eisen, sowie die thermische Abschirmung und Isolation.
Die gesamte, zu kühlende Masse liegt bei ca. 24 Tonnen pro
Magnet.
Das Strahlrohr selbst, ist mit einem 1.9 K kaltem Mantel als elektrischer
Isolator umgeben. Sein Abstand zum Strahlrohr betrÄgt 0.5 mm. Das
Strahlrohr wurde mit Löchern versehen, damit sich Teilchen, welche
hin und wieder von ihrer Sollbahn abweichen, das Strahlrohr
verlassen können. Die Teilchen "frieren" dann im kalten Mantel fest.
Dadurch wird verhindert, dass die Teilchen grössere Mengen
Elektronen herausschlagen und diese als Elektronenwolken den Strahl
beeinflussen.
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| Strahlrohr |
Quelle: CERN |
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2 in 1 Design |
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Die LHC-Magnete weisen die Besonderheit auf, dass die beiden
gegenläufigen Strahlrohre, in denen die Protonen ihre Runden
drehen, in einem einzigen Modul untergebracht sind. Da die
Ausrichtung der Lorenzkraft von der Bewegungsrichtung der Protonen
und von der Richtung der Feldlinien abhängt und identische
Teilchenladungen in gegenläufigen Richtungen unterwegs sind,
müssen die Magnetfeldlinien in gegensätzliche Richtungen
zeigen. Im ersten Strahlrohr verlaufen sie deshalb von oben nach
unten und im zweiten von unten nach oben. |
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| Magnetfeldlinien des Dipols um die beiden
Strahlrohre |
Quelle: CERN |
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| Feldlinienverteilung im Querschnitt |
Quelle: CERN |
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