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Wofür nutzt man eigentlich Teilchenbeschleuniger?

Ein Teilchenbeschleuniger dient zur Analyse der Aufbau der Materie.

Doch wie genau kann das funktionieren? Nunja, wenn man die Materie mit den Teilchen, genauer gesagt, mit den energiereich geladenen Teilchen beschießt, so kommt es zu verschiedenen Reaktionen zwischen Materie und den Teilchen, beispielsweise die Streuung.

Aufgrund der immer weiter fortschreitenden Technik, ist eine immer stärkere Beschleunigung der Teilchen möglich. Die Grenze des machbaren, bleibt aber die Lichtgeschwindigkeit, welche nicht überschritten werden kann. Sie kann auch nicht zu 100% erreicht werden, da bei hohen Geschwindigkeiten (etwa 10% der Lichtgeschwindigkeit) relativistische Effekte auftreten. Die immer höheren Geschwindigkeiten gehen aber ebenfalls mit hohen technischen Herausforderungen einher, so sind bei einigen Beschleunigertypen starke Magnetfelder notwendig, welche widerrum gekühlt werden müssen. Welche Beschleunigertypen es jeweils gibt, erfährst du noch später in diesem Artikel.

Linearbeschleuniger

Aufbau

  • Hohlzylinder
  • Ionenquelle
  • Wechselspannungsquelle

Funktionsweise

Die Ionen treffen einen Hohlzylinder, der mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Das Innere des Zylinders ist feldfrei, sodass dort keine Beschleunigung stattfindet, die Teilchen bewegen sich gleichförmig.

Ist die 1. Röhre beim Verlassen des Ions positiv und die zweite Röhre negativ geladen, so werden die Teilchen beschleunigt. Das zur Beschleunigung notwendige Umpolen erfolgt mit der Wechselspannungsquelle, sodass die zweite Röhre positiv und die dritte negativ ist (während das Teilchen in der zweiten Röhre ist).

Die Wechselspannung erfolgt dabei mit fester Frequenz, die Zeit zwischen dem Umpolen bleibt somit konstant. Aufgrund der zunehmenden Geschwindigkeit, aber der gleichbleibenden Umpolung müssen die Rohrlängen entsprechend verlängert werden, da die Teilchen sonst auf ein Gegenfeld treffen und abgebremst werden würden. Die Flugzeit durch jede Röhre bleibt somit konstant.

Teilchenbeschleuniger: LINAC
Abb. 1: Einer der längen Linearbeschleuniger in Kalifornien (SLAC).
Abb. 2: Funktionsweise der Umpolung der Hohlzylinder.
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Zyklotron

Aufbau

Das Zyklotron besteht aus zwei Duanten bzw. Elektroden, welche an eine hochfrequente Wechselspannung angeschlossen sind. Dadurch sind die Duanten jeweils abwechselnd positiv bzw. negativ geladen. Zu bemerken ist hierbei  jedoch, dass die Duanten immer entgegengestzt zueinander geladen sind. In dem Zwischenraum der Duanten bildet sich somit ein elektrisches Feld, welches beschleunigend auf die Teilchen wirkt. Durch einen Elektromagneten wird ein homogenes Magnetfeld erzeugt, welches die Aufbaute durchdringt und senkrecht zum elektrischen Feld gerichtet ist. Im Inneren befindet sich eine Teilchenquelle, welche Ionen freisetzt.

Teilchenbeschleuniger: Zyklotron
Abb. 3: Aufbau eines Zyklotrons.

Funktionsweise

Durch die Teilchenquelle werden Teilchen frei, welche aufgrund des bestehenden E-Feldes beschleunigt werden. Aufgrund des B-Feldes wirkt die Lorentzkraft auf die Teilchen, diese zwingt sie auf eine Kreisbahn. Durch die Wechselspannung kommt es immerwieder zur Umpolung der Duanten, was für eine fortschreitende Kreisbewegung der Teilchen sorgt mit einem zunehmenden Radius der Bahn, da die Geschwindigkeit der Teilchen im Zwischenraum immer weiter erhöht wird. Die Durchlaufzeit der Teilchen bzw. die Dauer des Aufenthalts in einem Duanten bleibt dabei immer gleich groß, da sich mit dem längeren Weg ja zuvor auch die Geschwindigkeit erhöht hat. Wurde das Teilchen nun auf die richtige Geschwindigkeit gebracht verlässt es das Zyklotron durch eine Ablenkelektrode, also durch ein zusätzliches E-Feld, welches die Bahn des Teilchens beeinflusst.

Synchrotron

Aufbau und Funktionsweise

Grundsätzlich bildet das Synchrotron eine Vermischung der zuvor vorgestellten Teilchenbeschleuniger. Die Problematik beim zuvor vorgestellten Zyklotron ist, dass bei sehr schnellen Teilchen, sehr große Radien entstehen, sodass große Magnetfeldanlagen notwendig sind.

In Ringbeschleunigern (Synchrotron) werden die Teilchen auf eng begrenzten Bahnen geführt, die dabei mehrmals durchlaufen werden.

Abb. 4: Visualisierung eines Synchrotrons.
Quelle: Vgl. ¹

So werden die Teilchen aufgrund der Ablenkmagnete auf der Kreisbahn gehalten.  Die Fokussierungsmagnete hingegen fokussiern die Bahn der Teilchen. Nachdem die Bahn fokussiert wurde gelangen die Teilchen in die lineare Beschleunigungsstrecke und werden dort beschleunigt.

Durch die Injektionsmagnete werden zuvor, in einem Linearbeschleuniger beschleunigte, Teilchen in den Ring eingespeist.

Die Ejektionsmagnete hingegen lenken die beschleunigten Teilchen, beim erreichen der Endenergie, aus dem Synchrotron heraus.

Abhängig von der Energie der Teilchen und somit iherer Geschwindigkeit muss passend dazu immer die Magnetfeldstärke der Ablenkmagnete erhöht werden.

An den tangentialen Armen (vgl. Abb. 4) kommt es zudem zur Synchrotronstrahlung. Diese entsteht durch die Ablenkung der geladenen Teilchen durch das Magnetfeld. Tangential zur Bewegungsrichtung werden dann elektromagnetische Wellen emittiert – die Synchrotronstrahlung.

Kurzüberblick

➤ Teilchenbeschleuniger nutzt man, um mehr über den Aufbau der Materie zu erfahren

      •  Man beschleunigt Teilchen und beschießt Materie mit diesen

➤ Beim Linearbeschleuniger handelt es sich um eine lange Röhre in welchen Teilchen beschleunigt werden

      • Beschleunigung erfolgt durch elektrisches Feld zwischen Hohlzylindern, welche an Wechselspannung angeschlossen sind
      • Durch Umpolung wird Beschleunigung gewährleistet
      • Mit zunehmender Geschwindigkeit muss Rohrlänge zunehmen

➤ Das Zyklotron besteht aus zwei Duanten, welche an Wechselspannung angeschlossen sind. Zudem besteht es homogenes Magnetfeld

      • Teilchen werden durch elektrisches Feld beschleunigt und weden durch Lorentzkraft auf Kreisbahn gezwungen
      • Fortschreitende Kreisbewegung der Teilchen durch Umpolung der Duanten

Synchrotron stellt Mischung der Teilchenbeschleuniger dar

      • Teilche  werden auf sehr eng begrenzten Bahnen geführt, welche mehrmals durchlaufen werden
      • Anschließend werden die Teilchen in die lineare Beschleunigungsstrecke eingespeist und dort beschleunigt
      • Durch die Ablenkung der geladenen Teilchen im Magnetfeld entsteht die Sychrotronstrahlung, tangential zur Bewegungsrichtung

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