Teilchenbeschleuniger

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Einleitung

Teilchenbeschleuniger, physikalisch-technische Großanlagen zum Beschleunigen von Elementarteilchen oder Ionen.

Teilchenbeschleuniger zählen zu den größten und teuersten in der Physik verwendeten Vorrichtungen, mit denen man Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten bringt. Im Wesentlichen bestehen diese Anlagen aus drei Teilen: einer Quelle zur Freisetzung von Elementarteilchen oder Ionen, einer weitgehend evakuierten röhrenförmigen Bahn, in der sich die Teilchen frei bewegen können, und einer Einheit zum Beschleunigen der Teilchen. Üblicherweise sind Teilchenbeschleuniger mit anderen Einrichtungen wie z. B. Teilchendetektoren gekoppelt.

Geladene Teilchen lassen sich mit Hilfe eines elektrostatischen Feldes beschleunigen. Das gelingt beispielsweise durch eine hohe Potentialdifferenz zwischen Elektroden, die an den Enden der evakuierten Röhre angebracht werden. Auf diese Weise gelang es beispielsweise den englischen Wissenschaftlern John D. Cockcroft und Ernest Walton, Protonen auf Energien von 250 000 Elektronenvolt (eV) zu beschleunigen. Der so genannte Van-de-Graaff-Generator lässt sich auch als Teilchenbeschleuniger einsetzen. Diese Vorrichtung arbeitet mit Hilfe der Elektrostatik. Zwischen zwei Elektroden wird durch Ladungstrennung an einem bewegten Riemen eine Potentialdifferenz erzeugt. Dadurch können Teilchen bis auf Energien von zehn Megaelektronenvolt (zehn Millionen Elektronenvolt) gebracht werden.

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Linearbeschleuniger

Den Linearbeschleuniger konzipierte man Ende der zwanziger Jahre des 20. Jahrhunderts. Hier werden Teilchen mit Hilfe von Wechselspannungen auf einer geraden Bahn vorangetrieben. Für niedrige Energien nutzt man elektrostatische Felder zur Beschleunigung. Bei höheren Energien setzt man hochfrequente elektrische Wechselfelder ein (HF-Linearbeschleuniger). Die Teilchen passieren beim Durchgang durch den Beschleuniger eine Reihe röhrenförmig gebauter Elektroden. Die Elektroden stehen hintereinander. 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. Theoretisch kann man Linearbeschleuniger für beliebige Energien bauen. Mit einer Länge von 3,2 Kilometern zählt der Linearbeschleuniger an der Stanford University (Kalifornien) zu den größten der Welt. Hier können Elektronen auf Energien von bis zu 50 Gigaelektronenvolt (50 Milliarden Elektronenvolt) gebracht werden.

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Zyklotron

Der amerikanische Physiker Ernest O. Lawrence erhielt im Jahr 1939 den Physik-Nobelpreis für die Entwicklung des Zyklotrons, eines ringförmig konstruierten Teilchenbeschleunigers. Dieser ähnelt vom Arbeitsprinzip her einem Linearbeschleuniger. Allerdings ist beim Zyklotron die Bahn, auf der sich die Teilchen bewegen, kreisförmig (Ringbeschleuniger) oder zu einer engen Spirale geformt. Mit Hilfe eines Hochleistungs-Elektromagneten erzeugt man ein senkrecht zu den Flugbahnen der Teilchen verlaufendes Magnetfeld (siehe Magnetismus). Damit hält man die Teilchen auf der gekrümmten Bahn. Zwischen den Polschuhen des Magneten liegt die Vakuumkammer, in der die Beschleunigung stattfindet. Dort befinden sich zwei halbkreisförmige Elektroden, die Duanten. Sie sehen im Querschnitt wie der Buchstabe D aus und werden deshalb auch D’s oder englisch Dees genannt. Sie sind mit der geraden Linie, also Rücken an Rücken, aneinandergesetzt:  D. Jedes Mal, wenn die Teilchen die Lücken zwischen den D’s passieren, werden sie beschleunigt. Während die Teilchen mehr und mehr Energie aufnehmen, wird der Durchmesser ihrer spiralförmigen Bahn immer weiter. Sie gelangen schließlich an den Rand des Beschleunigers und verlassen ihn.

Die Beschleunigung der Teilchen wird durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt. Je näher die Geschwindigkeit der Teilchen an die Geschwindigkeit des Lichtes angrenzt, desto drastischer nimmt ihre Masse zu. Nach der Relativitätstheorie würde die Masse bei Lichtgeschwindigkeit unendlich groß sein. In den ersten Zyklotronen kamen die Beschleunigungsstöße in der Lücke der Dees zum jeweils falschen Zeitpunkt. In diesem Zusammenhang entwickelten der russische Physiker Wladimir I. Weksler und der amerikanische Physiker Edwin M. McMillan das Synchrozyklotron. Ihre technische Neuheit stellten sie im Jahr 1945 der Fachwelt vor. Das Synchrozyklotron arbeitet nach einem frequenzmodulierten Prinzip. Bei diesem Zyklotronmodell wird der Generator mit Hilfe der Radiofrequenz, die auch die Teilchen beschleunigt, automatisch gesteuert. Durch diese Arbeitsweise erfolgen die Beschleunigungsstöße im richtigen Takt. Den Frequenztakt verlangsamt man in dem Maß, in dem die Masse der Teilchen zunimmt. Für höhere maximale Energien muss logischerweise das Synchrozyklotron auch größer sein, denn die Radien der Teilchen nehmen ja mit größerer Energie zu. Mit einem Ringdurchmesser von sechs Metern zählt das Phasotron im russischen Dubna-Institut für Kernforschung zu den größten Synchrozyklotronen der Welt. Es beschleunigt Protonen auf mehr als 700 Megaelektronenvolt, und seine Magnete wiegen fast 7 000 Tonnen.

Das derzeit leistungsfähigste Zyklotron, das K 1200, ging 1988 am National Superconducting Cyclotron Laboratory an der Universität von Michigan (USA) in Betrieb. Hier erreichen die Atomkerne etwa acht Gigaelektronenvolt.

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Betatron

Beim Beschleunigen von Elektronen steigt deren Masse schon bei relativ geringen Energien merklich an: Bei einer Energie von einem Megaelektronenvolt hat ein Elektron bereits eine dreimal so hohe Masse wie ein ruhendes Elektron. Für derart enorme Massenzunahmen sind Synchrozyklotrone nicht ausgelegt. Daher entwickelte man für Elektronen einen anderen Beschleunigertyp, das Betatron. Es enthält eine Vakuumkammer, die aus zwei Hälften einer abgeflachten Kugel zusammengesetzt ist und sich zwischen den Polen eines Magneten befindet. Die Elektronen werden durch ein Magnetfeld, das so genannte Führungsfeld, auf Kreisbahnen gehalten. Der Elektromagnet wird mit Wechselstrom betrieben. Die Elektronen werden durch die Kräfte beschleunigt, die von den Änderungen des magnetischen Flusses entlang der Kreisbahn herrühren. Führungsfeld und magnetischer Fluss werden so variiert, dass der Radius der Elektronenbahnen stets gleich bleibt.