Handout Teilchenbeschleuniger 1. Wozu brauchen wir

Handout Teilchenbeschleuniger
1. Wozu brauchen wir Teilchenbeschleuniger?
Eines der grundlegendsten Anliegen der Physik ist die Erforschung des Aufbaus der
Materie und ihrer Grundbausteine sowie den zwischen ihnen wirkenden
Wechselwirkungen. Da die zu untersuchenden Strukturen im Bereich von weit unter
10^(-15)m liegen, ist sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von λ ~ 500 nm nicht zur
Untersuchung geeignet. Man benötigt also hochenergetische Photonen bzw.
Teilchenstrahlen.
2. Gleichspannungsbeschleuniger
Bei Gleichspannungsbeschleunigern werden geladene Teichen über ein starkes
elektrisches Feld beschleunigt. Die dafür benötigte Hochspannung wird mit Hilfe eines
Cockcroft- Walton- Generators oder eines Van- de- Graaff- Generators erzeugt.
Der so genannte Tandembeschleuniger ermöglicht es die angelegte Hochspannung
zweimal zu verwenden, indem die anfangs negativ geladenen Ionen beim passieren
eines Strippers umgeladen werden.
3. Der Linearbeschleuniger
Da bei Gleichspannungsbeschleunigern die maximal erreichbare Spannung (egal wie
die Spannung erzeugt wird), immer durch die Koronabildung und der dadurch
resultierenden Überschläge begrenzt ist, schlug der Schwede Ising 1925 vor, statt der
Gleichspannung schnell wechselnde Hochfrequenzfelder zu benutzen. Drei Jahre später
gelang Wideröe der erste erfolgreiche Test mit einem Linearbeschleuniger, der auf
diesem Prinzip basierte.
Die Länge der Driftröhren musste exakt an die Energie der Teilchen angepasst werden:
4. Das Zyklotron
Beim Zyklotron werden die geladenen Teilchen im Zentrum initiiert. Dort werden sie im
mittleren Beschleunigungsspalt in eines der beiden Dee’s beschleunigt, wo der Strahl
durch ein Magnetfeld auf eine Kreisbahn gezwungen wird. Die Teilchen erreichen den
mittleren Spalt nun genau nach einer halben Periode der Wechselspannung, wodurch
sie in die andere Richtung beschleunigt werden. Nimmt man näherungsweise eine
Kreisbahn an, so bewegt sich der Strahl mit der so genannten Zyklotronfrequenz:
5. Das Betatron
Hier werden Elektronen durch ein „ringförmiges“ elektrisches Feld beschleunigt, welches
nach dem Induktionsgesetz durch eine magnetische Flußänderung erzeugt wird.
Die Fokussierung in radialer Richtung basiert hier auf einem Gleichgewicht zwischen
Lorentzkraft und Zentrifugalkraft. Für eine stabile Bahn muss das B-Feld (von welchem
die Lorentzkraft abhängt) langsamer als 1/r abfallen.
Die Elektronen werden hier immer nur an der ansteigenden Flanke des Magnetfelds
beschleunigt. Verwendet man also praktischerweise eine Frequenz von 50 Hz, so
werden die Elektronen nur 1/200 s lang beschleunigt. Daher sind z.B. Protonen
aufgrund ihrer deutlich größeren Masse nicht für das Betatron geeignet (keine
nennenswerte Beschleunigung).
6. Das Synchrotron
Da bei konstantem Magnetfeld der Radius des Zirkularbeschleunigers mit der Energie
wächst, führte dies zu immer größeren Magnetdimensionen. Als Lösung wurde das
Synchrotron entwickelt, wo die Teilchen sich auf einer ortsfesten Bahn bewegen, und
die Magnetfeldstärke synchron zu Teilchenenergie wächst.
7. Anwendungsgebiete
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Chemie: Massenspektrometer
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Physik: Kernphysik, Teilchenphysik, Kosmologie, Synchrotronstrahlung
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Medizin: Strahlentherapie, lokale Erzeugung von Radionukliden
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Materialuntersuchung: Durchstrahlungsprüfung