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Der moderne Teilchenbeschleuniger
Was ist ein Teilchenbeschleuniger?
Teilchenbeschleuniger (Akzelerator) ist eine Sammelbezeichnungen für Geräte und Anlagen zur Beschleunigung von elektrisch geladenen Teilchen (z.B. Elektronen, Protonen, ihre Antiteilchen und Ionen) auf sehr hohe Energien mit Hilfe eines elektrischen Feldes.
Um die innerste Struktur der Materie zu untersuchen, werden Teilchen zweier entgegenlaufender Strahle miteinander zur Kollision gebracht (engl. colliding-beam-experiments). Da bei höheren Energien die Strukturen besser aufgelöst werden können, ist man bestrebt, möglichst hohe Teilchenenergien zu erzeugen.
Die Energie wird den Teilchen beim Durchfliegen eines Beschleunigers zugeführt.
Man unterscheidet zwischen verschiedenen Beschleunigertypen.
Linearbeschleuniger (LINAC)
Linearbeschleuniger sind Anlagen zur Beschleunigung von elektrisch geladenen, atomaren Teilchen auf geradlinigen Bahnen durch den Einsatz von Wechselspannung. Die Teilchen passieren beim Durchgang durch den Beschleuniger eine Reihe röhrenförmig gebauter Elektroden. Die Frequenz der Wechselspannung wird so eingestellt, dass ein Teilchen immer dann nach vorn beschleunigt wird, wenn es gerade die Lücke zwischen zwei Elektroden passiert. LINAC’s wurden erstmals ende der zwanziger Jahre gebaut (Wideroe-Linearbeschleuniger, 1928).
Der mit 3,2 km Länge derzeit größte LINAC (SLAC – Stanford Linear Accelerator) steht and der Stanford University in Kalifornien.
Bei der Weiterentwicklung der Linearbeschleuniger sollten Teilchen auf immer größere Energien beschleunigt werden. Um dies zu erreichen, wurden die Beschleunigungsstrecken immer länger. Schließlich wurden die LINAC`s zu groß. Man kam daher auf die Idee, die zu beschleunigenden Teilchen auf eine Kreisbahn zu lenken, um so die verwendete Beschleunigungsstrecke immer wieder durchlaufen zu können. Bei den so genannten Ringbeschleunigern unterscheidet man wieder zwischen verschiedenen Typen.
Zyklotron
Ernest Orlando Lawrence schlug das Prinzip des Kreisbeschleunigers erstmals 1930 vor. Ende 1930 baute er das erste Zyklotron. Im Jahr 1939 erhielt er den Physik-Nobelpreis für seine Entwicklung.
Das Zyklotron besteht aus zwei flachen, evakuierten D-förmigen Elektroden (Duanten), zwischen denen eine hochfrequente Wechselspannung konstanter Frequenz anliegt. Durch ein starkes homogenes Magnetfeld, das senkrecht zur Flugbahn der Teilchen steht, werden die im Zentrum erzeugten Teilchen auf Kreisbahnen gezwungen (Lorentz-Kraft). Beim Übergang von einem Dunanten in den anderen erfahren die Teilchen durch das elektrische Wechselfeld eine Beschleunigung.
Da bei höheren Geschwindigkeiten auch der Bahnradius größer wird bleibt die Zeit zwischen den Übergängen immer gleich, wodurch man eine Wechselspannung konstanter Frequenz anlegen kann.
In modernen Zyklotronen erfolgt bei einem Umlauf eine mehrmalige Beschleunigung. Das derzeit Leistungsfähigste Zyklotron ging 1988 an der Universität von Michigan (USA) in Betrieb.
Zyklotron Rennbahnmikrotron
Mikrotron
Das Mikrotron ist ein Teilchenbeschleuniger für Elektronen, der nach dem Zyklotronprinzip arbeitet.
Beim klassischem Mikrotron bewegen sich die Elektronen in einer Beschleunigungskammer zwischen den Polen eines konstanten Magnetfeldes auf Kreisbahnen, die sich in einem Punkt Tangential berühren und in dem sie durch das starke Feld eines Hohlraumresonators beschleunigt werden. Diese Mikrotrone arbeiten nur im Impulsbetrieb und die Maximalenergie ist auf rund 30 MeV begrenzt.
Energien bis zu 1GeV werden im Rennbahnmikrotron erreicht. Bei ihm sind die Magneten in zwei je um 180° ablenkende Hälften zerlegt und auseinander gezogen. In dem Zwischenraum befindet sich ein kleiner Hochfrequenz-Linearbeschleuniger mit fokussierenden Linsen an beiden Enden.
klassisches Mikrotron Betatron
Betatron
Der Aufbau des Betatrons ist dem des Zyklotrons ähnlich. Zwei Dipolmagnete erzeugen ein Magnetfeld. In diesem Magnetfeld befindet sich die Elektronenquelle.
Das veränderliche Magnetfeld erzeugt in Richtung des umlaufenden Elektronenstrahls ein elektrisches Feld. Dieses elektrische Feld beschleunigt die Elektronen. Im Prinzip handelt es sich um eine Art Transformator, bei dem der Elektronenstrahl die "Sekundärwindung" darstellt. Um den Strahl auf einer Kreisbahn zu halten, muss das Magnetfeld einen bestimmten radialen Verlauf haben. Dieser Verlauf wird durch besondere Formgebung der Pole erreicht und bewirkt eine Strahlfokussierung um die ideale Bahn. Nach Erreichen der Endenergie werden die Elektronen durch elektrische oder magnetische Felder aus dem Betatron gelenkt.
Das erste Betatron wurde 1940 von Donald William Kerst an der Universität von Illinois gebaut.
Synchrotron
Die Experimente zur Untersuchung von Teilchen und ihren Wechselwirkungen benötigten Mitte der 40er Jahre Teilchenenergien, die mit den Zyklotron bzw. dem Betatron nicht mehr zu erreichen waren. Aus diesem Grund wurde das Synchrotron entwickelt, dessen Prinzip 1945 fast gleichzeitig von Edwin Mattison McMillan an der Universität von Kalifornien und von Vladimir Iosifovich Veksler in der Sowjetunion beschrieben wurde.
Der Bahndurchmesser der beschleunigten Teilchen wurde für die geforderten Teilchenenergien so groß, dass ein einzelner Magnet nicht mehr ausreichte, um das Ablenkfeld zu erzeugen. Man verwendete daher viele kompakte Ablenkmagnete, die in einer kreisförmigen Anordnung aufgestellt sind und den Strahl auf einer idealen, geschlossenen Bahn halten.
Zusätzlich wird der Teilchenstrahl von Fokussierungsmagneten gebündelt. Zwischen den Magneten bleibt genügend Platz für eine oder mehrere Beschleunigungsstrecken. Um die Teilchen auf einer Kreisbahn zu halten wird das Magnetfeld der Ablenkmagnete synchron (Synchrotron) zur Energiezunahme der Teilchen erhöht.
Der Teilchenstrahl wird Vorbeschleunigt und kann dann bei minimalem Magnetfeld in das Synchrotron mit Hilfe eines Injektionsmagneten injiziert werden. Ist die Endenergie erreicht, können die Teilchen durch einen sehr schnell gepulsten Ejektionsmagneten hinausgelenkt werden.
Synchrotron Speicherringtunnel LEP/LHC
Speicherring
Der Zweck eines Speicherings ist es, einen möglichst intensiven Teilchenstrahl durch das ständige Hinzufügen neuer Teilchen zu den bereits im Speicherring vorhandenen zu erzeugen und den Strahl ohne nennenswerte Verluste viele Stunden umlaufen zu lassen, also die Teilchen auf einem bestimmten Energieniveau, bzw.
mit einer Geschwindigkeit zu Speichern. Deshalb ist ein Speicherring kein Beschleuniger im eigentlichen Sinn.
Der Speicherring besteht aus den gleichen Komponenten wie das Synchrotron, d.h. aus Ablenkmagneten, Fokussierungsmagneten und Beschleunigungsstrecken. Es gibt zwei Injektionspunkte, an denen jeweils ein Teilchenstrahl (Elektronen, Protonen, deren Antiteilchen Positronen und Antiprotonrn) in den Speicherring geleitet werden.
Im Einzelring laufen Elektronen und Positronen im gleichen Speicherring, aber in Entgegengesetzter Richtung um. Vor dem gewünschten Kollisionspunkt sind spezielle Fokussierungsmagnete installiert, welche die Trefferwahrscheinlichkeit erhöhen. Um den Kollisionspunkt ist der Großdetektor gebaut, der verschiedenste Daten der entstandenen Teilchen aufnimmt.
Bei dem so genannten Collider befinden sich die Teilchenstrahlen auf zwei verschiedenen Ringen, die sich an einem Kreuzungspunkt kreuzen. Die Teilchen laufen wieder in Entgegengesetzter Richtung um und werden mithilfe der Fokussierungsmagneten zum erwünschten Zeitpunkt zur Kollision gebracht. Mit einem Detektor werden dann die entstehenden Teilchen identifiziert.
Die bei einem Stoß der Teilchen (Energien E1 und E2) umgesetzte Energie ist mit wesentlich größer als beim Beschuss ruhender Targetteilchen () der Energie E0.
Anwendungsgebiete
in der Medizin
Strahlentherapie:
Im engeren Sinne versteht man darunter die Anwendung ionisierender hochenergetischer Strahlen (Gammastrahlung, Röntgenbremsstrahlung, Elektronen, Neutronen, Protonen) zu Heilzwecken, meist bei bösartigen Tumorerkrankungen.
Die dazu erforderliche Strahlung wird in Beschleunigern erzeugt. Diese Behandlungsmethode ist vollkommen Schmerzfrei und erfolgt ohne Narkose.
Im Juni 1998 wurde der erste Augentumor in Deutschland mit einem Zyklotron nach dieser Methode bei einem Patienten erfolgreich therapiert.
in der Physik
Kosmologie:
In der Kosmologie werden Teilchenbeschleuniger vor allem zur Untersuchung des Urknalls Verwendet.
Teilchenphysik:
Die Teilchenphysik versucht mit neuen Techniken, die bekannten Teilchen zu ordnen (Standardmodell) und Voraussagen zu neuen Teilchen zu machen. Dazu bedient man sich großer Teilchenbeschleuniger, in denen verschiedene Teilchen aufeinander geschossen werden (zum Beispiel Elektronen auf Positronen). Anhand der entstehenden Reaktionsprodukte, deren Verteilung in den Nachweisdetektoren und der Energie- und Impulsbilanz lassen sich neue und bekannte Teilchen identifizieren.
Das Standardmodell ist vergleichbar mit dem Periodensystem der Elemente in der Chemie. Es beinhaltet 12 Teilchen (und 12 Antiteilchen), welche in Leptonen und Quarks unterteilt werden.
Synchrotronstrahlung:
Als Synchrotron-Strahlung bezeichnet man die elektromagnetischen Wellen, die in Vorwärtsrichtung austreten, wenn leichte, geladene, relativistische Teilchen (Elektronen oder Positronen) durch ein Magnetfeld tangential zu ihrer Bewegungsrichtung abgelenkt werden.
in der Chemie
Massenspektrometrie:
Die Massenspektrometrie (Massenspektroskopie, Massenspektrographie) ist ein Analysenverfahren zur Bestimmung von chemischen Elementen, Molekülmassen und Massenfragmenten.
Was bringt die Zukunft?
In Zukunft wird vor allem die Konstruktion neuer und leistungsfähigerer Teilchenbeschleuniger (TESLA), die Erstellung des Standardmodells und die Erforschung der Entstehung der Teilchen und des Universums im Mittelpunkt stehen.
Quellen:
Hinterberger, F.: Physik der Teilchenbeschleuniger
Wille, K.: Physik der Teilchenbeschleuniger und Synchrotronstrahlungsquellen
Brockhaus Multimedial
Microsoft Encartahttps://www.desy.
de/html/forschung/teilchenbeschleuniger.htmlhttps://de.wikipedia.org/wiki/Teilchenbeschleunigerhttps://www-aix.gsi.de/~wolle/TELEKOLLEG/KERN/kern.
htmlhttps://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/grundl_d_tph/exp_besch/exp_besch_00.html
https://www.
maxlab.lu.se/acc-phys/teach/mnx301/ 2003/Klaus%20Wille/Historie.pdfhttps://www.weltderphysik.de/themen/bausteine/teilchen/uebersicht/expmethoden/beschleuniger/
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