Teilchenbeschleuniger

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Ein Teilchenbeschleuniger ist ein Gerät, in dem geladene Teilchen (z. B. Elementarteilchen, Atomkerne oder ionisierte Atome, Moleküle) durch elektrische Felder auf große Geschwindigkeiten beschleunigt werden.

Je nach Teilchenart und Beschleunigertyp kann annähernd Lichtgeschwindigkeit erreicht werden, und die Teilchen erlangen eine Bewegungsenergie (kinetische Energie), die einem Vielfachen ihrer eigenen Ruheenergie entspricht.

Die größten Beschleunigeranlagen werden in der Grundlagenforschung (Hochenergiephysik) quasi als Mikroskope eingesetzt, um mit den darin beschleunigten, hoch energetischen Teilchen die fundamentalen Wechselwirkungen von Materie zu untersuchen, und allerkleinste Strukturen aufzulösen. Neben ihrer Bedeutung für die Grundlagenforschung haben Teilchenbeschleuniger auch eine immer wichtigere Bedeutung in der Medizin und für viele industrielle Zwecke.

Inhaltsverzeichnis

[Bearbeiten] Geschichte und Übersicht

Die ersten Teilchenbeschleuniger waren elektrostatische Beschleuniger, bei denen mit einem Van de Graaf Generator oder einem Cockcroft-Walton-Generator erzeugte Hochspannungen benutzt wurden. Damit konnten Energien von einigen MeV erzielt werden (die Energie der Teilchen wird meist in Elektronenvolt angegeben). John Cockcroft und Ernest Walton gelang 1932 erstmals eine künstliche Kernzertrümmerung.

Um höhere Energien zu erreichen, schlug Rolf Wideröe 1929 vor, hochfrequente Wechselfelder zwischen linear hintereinander angeordneten Zylinderelektroden zu nutzen. Die Größe der Zylinder und die Frequenzen waren so abgestimmt, dass die Teilchen zwischen den Elektroden beschleunigt wurden. Das regte Ernest Lawrence zu seiner Entwicklung des Zyklotrons an, gebaut ab 1930 in Berkeley in Zusammenarbeit mit M. Stanley Livingston. In ihnen bewegen sich die geladenen Teilchen auf Kreisbahnen in einem Magnetfeld, wobei sie auf ihrer Kreisbahn regelmäßig zwischen D-förmigen Elektroden beschleunigt werden. Damit waren Energien bis einige 100 MeV erreichbar. Eine Variante war das Betatron (Wideröe, Kerst), bei dem statt Elektroden durch zeitlich veränderlich Magnetfelder induzierte elektrische Felder zur Beschleunigung verwendet wurden und mit dem Elektronen 1950 bis 300 MeV beschleunigt wurden.

Da die Größe der Vakuumkammer und der Magnete die Zyklotrone begrenzte, war der nächste Schritt die Beschleunigung in Beschleunigertunneln, entweder geradlinig angeordnet (Linearbeschleuniger) oder auf Kreisbahnen in Ringbeschleunigern, erzeugt durch regelmäßige Anordnung von Ablenkmagneten. Für die Beschleunigung kam wieder das ursprüngliche Prinzip von Wideröe zum Einsatz, wobei die Beschleunigung statt in Zylinderelektroden in besonders geformten Hohlraumresonatoren erfolgt, die zusätzlich heutzutage in den großen Teilchenbeschleunigern möglichst supraleitend sind.

Linearbeschleuniger haben den Vorteil, das kein Energieverlust durch Synchrotronstrahlung [1] wie bei Ringbeschleunigern entsteht, bei Ringbeschleunigern können die Beschleunigungseinheiten bei jedem Umlauf des Teilchens wieder genutzt werden.

Solche Ringbeschleunigen, bei denen Beschleunigung und Ablenkung der nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigten Teilchen synchronisiert waren (Synchrotron), wurden nach Ideen von Wladimir Iossifowitsch Weksler (von russischen Lebedew-Institut) und von Edwin McMillan (in Berkeley) aus der Mitte der 1940er Jahre nach dem Zweiten Weltkrieg projektiert, das Bevatron von Lawrence in Berkeley (1954) und das Cosmotron in Brookhaven (1952 unter Leitung von Livingston).

Es wurden damit Energien bis um die 6 GeV (Bevatron) erzeugt. Ein weiterer Fortschritt war Anfang der 1950er Jahre die Idee der „starken Fokussierung“. Die Ablenkmagnete wurden mit abwechselnd nach verschiedenen Seiten angeschrägten Polschuhen verwendet, wodurch alternierende Gradienten von Magnetfeldern entstanden, die zu einer Stabilisierung (Fokussierung) der Bahnen der geladenen Teilchen führten. Die Idee stammte von Ernest Courant, Livingston und Hartland Snyder in den USA (und unabhängig vorher von Nicholas Christofilos). Damit gelang am CERN (CERN-PS, Protonensynchrotron, 1960) und in Brookhaven (AGS, Alternating Gradient Synchrotron, 1960) der Bau von Protonen-Synchrotronen im 30 GeV Bereich. Beschleuniger speziell für Elektronen traten erst in den 1960er Jahren in den Vordergrund des Interesses.

Heute werden diese Fokussierungen durch Anordnungen von magnetischen (oder elektrischen) Quadrupol-Linsen (und Linsen höherer Multipolarität wie Sextupole) erreicht. Da man damit grundsätzlich nicht in allen Richtungen gleichzeitig fokussieren kann, wird einer Quadrupollinse eine um 90 Grad gedrehte weitere Quadrupollinse hintergeschaltet. Auf die Ablenkung eines Teilchens in einer festgelegten Richtung bezogen entspricht das der Hintereinanderanordnung von Sammel- und Zerstreuungslinsen, mit einer leichten Fokussierung als Nettoeffekt.

Ein weiteres wichtiges Konzept, das in den 1960er Jahren entwickelt wurde, sind Speicherringe (Storage Rings), mit denen eine Erhöhung der Energie durch vorherige gegenläufige Beschleunigung zweier danach zur Kollision gebrachten Teilchenstrahlen möglich wurde (Collider, Colliding Beam Experimente). Auch konnten Teilchen und ihre Anti-Teilchen (gegenläufig im selben Ring beschleunigt) getrennt gesammelt und dann zur gegenseitigen Vernichtung gebracht werden - es stand dann also auch ihre Ruheenergie zur Erzeugung neuer Teilchen zur Verfügung. Die Idee wurde im Westen von Bruno Touschek propagiert (um 1960), nach dessen Ideen dann in Frascati 1961 der erste Speicherring gebaut wurde, gefolgt von Stanford und Speicherringen in Russland, wo Budker ähnliche Ideen hatte. Beispiele für Speicherringe sind:

  • SPEAR (Stanford Positron Electron Asymmetric Ring) am SLAC in Stanford (ab 1972, Elektron-Positron-Collider mit zweimal 4 GeV), an dem Charmonium und Tau-Lepton entdeckt wurden.[2]
  • am CERN der Intersecting Storage Ring (ISR) (Proton-Antiproton, zweimal 31 GeV, ab 1971), der SPS (ab 1981 zum Proton-Antiproton Collider ausgebaut, zweimal 450 GeV), der Large Electron-Positron Collider (LEP, 1989 bis 2000, zweimal 104 GeV in LEP II) und der heutige Large Hadron Collider (Proton-Proton Collider, der ab 2009 mit zweimal 7 TeV der bisher größte Beschleuniger sein soll)
  • das Tevatron am Fermilab (ab 1987, Proton-Antiproton Collider, zweimal 900 GeV, ab 2002 mit zweimal 1 TeV)
  • oder die verschiedenen Speicherringe am DESY (Doris, Petra, Hera).

[Bearbeiten] Moderne Beschleunigungskonzepte

Supraleitende Kavität zur Beschleunigung von Elektronen und Positronen; Länge der Struktur ca. 1m; Hergestellt aus hochreinem Niob. Jede Kammer hat eine Resonanzfrequenz von 1,3 GHz.

In bisherigen Beschleunigern werden Elektronen in Kreisbeschleunigern auf Geschwindigkeit gebracht. Der Nachteil: Das weltweit größte Elektronen-Synchrotron LEP mit einen Umfang von 27 km konnte Elektronen nur auf maximal 104 GeV beschleunigen. Dabei verlieren die Teilchen während jedes Umlaufs einige Prozent ihrer Energie (Synchrotronstrahlung) und müssen durch ein sehr aufwändiges System von supraleitenden Hochfrequenzresonatoren immer wieder nachbeschleunigt werden. Von modernen Beschleunigern erwartet man aber Energien bis zu 1000 GeV (1 TeV). Dafür muss man lineare Beschleuniger verwenden. Hier sind die Beschleunigungsstrecken für Elektronen geradlinig, wie im Bild zu sehen ist.

Das Herzstück der Beschleunigungsstrecken für Elektronen sind Hohlraumresonatoren für Mikrowellen. In deren Innerem beschleunigen die elektrischen Felder von stehenden elektromagnetischen Wellen die geladenen Teilchen. Darin erreicht man inzwischen elektrische Feldstärken von mehr als 40 Millionen Volt pro Meter. Um die Endgeschwindigkeit zu erreichen, wird der in weltweiter Zusammenarbeit geplante International Linear Collider ILC eine Gesamtlänge von 30 km besitzen.

Der Resonator besteht aus neun elliptisch geformten Zellen (Rotationsellipsoiden). Die Länge einer einzelnen Zelle ist so gewählt, das sich das elektrische Feld der Welle gerade umkehrt, wenn ein Teilchen in die nächste Zelle eintritt. Damit wird eine kontinuierliche Beschleunigung gewährleistet[3].

Bei typischen Betriebstemperaturen um 2K ist die Niob-Kavität supraleitend und benötigt weniger Energie zum Betrieb als herkömmliche Kavitäten aus Kupfer.

[Bearbeiten] Arten von Teilchenbeschleunigern

[Bearbeiten] Anwendungsgebiete von Teilchenbeschleunigern

[Bearbeiten] Synchrotronstrahlung

Synchrotronstrahlung, ursprünglich ein „Abfallprodukt“ großer Elektronenbeschleuniger (z. B. im HASYLAB beim DESY in der Materialforschung, zur medizinischen Diagnostik und anderem eingesetzt) wird inzwischen in vielen eigens dafür gebauten Beschleunigeranlagen erzeugt.

Ein Sonderfall der Erzeugung von Synchrotronstrahlung ist der Freie-Elektronen-Laser.

[Bearbeiten] Siehe auch

[Bearbeiten] Weblinks

Wiktionary Wiktionary: Teilchenbeschleuniger – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik

[Bearbeiten] Literatur

  • Herbert Daniel Beschleuniger, Teubner 1974 (Grundlagen)
  • Klaus Wille Physik der Teilchenbeschleuniger und Synchrotronstrahlungsquellen, Teubner, 2. Auflage, 1996
  • Helmut Wiedemann Particle Accelerator Physics, 3. Auflage, Springer 2007, ISBN 3540490434
  • Pedro Waloschek, Oskar Höfling: Die Welt der kleinsten Teilchen- Vorstoß zur Struktur der Materie, rororo 1984, 2. Auflage 1988 (populärwissenschaftlich)

[Bearbeiten] Quellen

  1. ↑ es gibt aber auch Beschleuniger, die speziell zur Herstellung dieser Synchrotronstrahlung verwendet werden
  2. ↑ Heute eine Synchrotronstrahlungsquelle
  3. ↑ Die heutigen Beschleuniger

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Teilchenbeschleuniger“
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