Teilchenbeschleuniger

Das Grundprinzip ist bei allen Teilchenbeschleunigern ähnlich: Geladenen Teilchen (Elektronen, Protonen, Ionen) werden durch elektrische Felder stark beschleunigt und durch magnetische Felder auf kreis- oder spiralförmige Bahnen gebracht. Die Teilchen werden dann mit großer Geschwindigkeit und damit hoher kinetischer Energie auf andere Teilchen oder Stoffe (Targets) geschossen. Die Wechselwirkungen werden registriert und ausgewertet. Nachfolgend werden die wichtigsten Arten von Beschleunigern in Aufbau und Wirkungsweise dargestellt.

Linearbeschleuniger
Ein Linearbeschleuniger ist so aufgebaut, dass geladenen Teilchen eine Reihe von röhrenförmigen Elektroden durchlaufen, die mit den Polen eines Hochfrequenzgenerators verbunden sind (Bild 2). Während ein positiv geladenes Teilchen das Rohr A durchläuft, verändert sich die Spannung an dieser Elektrode von ihrem negativen zu ihrem positiven Scheitelwert. Wenn das Teilchen Rohr A verlässt, ist dieses positiv und das Rohr B negativ. Es erfolgt im Zwischenraum eine Beschleunigung. Das Gleiche passiert in den nachfolgenden Zwischenräumen. Da die Teilchengeschwindigkeit von Rohr zu Rohr größer wird, muss bei konstanter Frequenz auch die Rohrlänge immer größer werden. Mit relativ einfachen Linearbeschleunigern erzielt man bereits Energien bei Protonen von ca. 50 MeV.

Zyklotron
Das erste Zyklotron wurde 1929/30 durch die amerikanischen Physiker ERNEST O. LAWRENCE (1901-1958, Bild 3) und M. S. LIVINGSTONE konstruiert und in Betrieb genommen. LAWRENCE erhielt 1939 für die Erfindung und Entwicklung des Zyklotrons und die dadurch erzielten Ergebnisse, insbesondere im Hinblick auf künstliche radioaktive Elemente, den Nobelpreis für Physik. Er war auch führend am amerikanischen Atombombenprojekt beteiligt.

Bild 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines solchen Zyklotrons. Es besteht aus einer flachen Kammer mit zwei halbkreisförmigen Dosen, in denen sich ein Hochvakuum befindet. Diese Dosen sind mit einem Hochfrequenzgenerator konstanter Frequenz verbunden, sodass zwischen ihnen ein elektrisches Feld besteht. Diese gesamte Anordnung befindet sich in einem konstanten Magnetfeld, das die Dosen senkrecht durchsetzt. Bei dem größten Exemplar, das in den fünfziger Jahren des 20. Jahrhundert gebaut wurde, hatte dieser Magnet eine Masse von immerhin 7000 Tonnen (Kernforschungszentrum Dubna, Sowjetunion).
Von einer Quelle im Zentrum der Dosen werden geladene Teilchen (Elektronen, Protonen, Ionen) abgegeben. Sie werden durch das Magnetfeld auf eine kreisförmige Bahn gebracht, da die LORENTZ-Kraft des konstanten Magnetfeldes als Radialkraft wirkt. Im Bereich zwischen den beiden Dosen werden die Teilchen im elektrischen Feld beschleunigt, durch das Magnetfeld wieder auf einer halbkreisförmigen Bahn umgelenkt, noch mal beschleunigt usw. Damit eine ständige Beschleunigung erfolgt, muss das elektrische Feld während einer halbkreisförmigen Bewegung umgepolt werden. Das funktioniert mit einer konstanten Hochfrequenz in der beschriebenen Weise nur, weil die für einen Umlauf benötigte Zeit konstant bleibt. Das ergibt sich aus folgender Überlegung: Die LORENTZ-Kraft wirkt als Radialkraft. Es gilt damit:
$\begin{array}{l}m\cdot \frac{v^2}{r}=Q\cdot v\cdot B\text{oder}\\ m\cdot \frac{v}{r}=Q\cdot B\\ \text{Mit}v=\omega \cdot r\text{erhält man:}\\ m\cdot \omega =Q\cdot B\text{oder}\\ \omega =\frac{Q\cdot B}{m}\\ \text{Schließlich erhält man mit}\omega =\frac{2\pi }{T}:\\ T=\frac{2\pi \cdot m}{Q\cdot B}\end{array}$

Die Umlaufzeit ist also unabhängig von der Geschwindigkeit der Teilchen und auch unabhängig vom Bahnradius.
Durch die Beschleunigung im elektrischen Feld zwischen den Dosen erhöht sich ständig die Geschwindigkeit der Teilchen, der Bahnradius vergrößert sich dadurch ständig. Schließlich werden die Teilchen durch eine Ablenkelektrode nach außen gelenkt. Mit einem solchen Zyklotron erreicht man z.B. bei Protonen Energien von etwa 20 MeV.

Synchronzyklotron
Bei sehr großen Geschwindigkeiten von geladenen Teilchen treten relativistische Effekte auf. Die Masse der Teilchen nimmt zu. Demzufolge vergrößert sich nach der oben genannten Beziehung auch die Umlaufzeit der Teilchen. Damit erfolgt bei konstanter Hochfrequenz des angelegten elektrischen Feldes keine Beschleunigung mehr.
Verkleinert man die Frequenz aber laufend in richtigem Maße, dann kann man eine weitere Beschleunigung und damit größere Energien erreichen, als es beim Zyklotron mit der festen Frequenz möglich ist. Eine solche Art von Zyklotron mit konstantem Magnetfeld und sich verringernder Hochfrequenz des beschleunigenden elektrischen Feldes nennt man Synchronzyklotron.

Betatron
Eine weitere Variante eines Teilchenbeschleunigers ist das Betatron, auch Elektronenschleuder genannt. Es arbeitet im Prinzip wie ein Transformator mit nur einer Windung im Sekundärkreis. Diese eine Windung ist durch ein Vakuumrohr ersetzt, in dem sich ein Elektronenstrahl bewegt. Dieser Elektronenstrahl wird mittels Glühkatode und Anodenspannung von einigen 1000 V erzeugt. Durch eine spezielle Form der Polschuhe wird erreicht, dass die Elektronen durch ein „Führungsfeld“ ähnlich wie bei einem Zyklotron in dem Rohr einen kreisförmigen Ringstrom bilden, ohne mit der Wand in Berührung zu kommen. Das zentrale Kernfeld erzeugt ein ringförmiges elektrisches Wirbelfeld, durch das die Elektronen beschleunigt werden. Für die Erregung beider Felder genügt ein Spulenpaar, das mit Hochfrequenz gespeist wird.

Synchrotron
Um eine weitere Steigerung der Geschwindigkeit und damit der Energie der Elektronen zu erreichen, wurde das Prinzip des Zyklotrons mit dem des Betatrons vereinigt. Das Prinzip besteht darin, dass geladenen Teilchen durch elektrische Felder beschleunigt und durch magnetische Felder auf eine Kreisbahn gezwungen werden, wobei sich die Stärke der magnetischen Felder mit zunehmender Geschwindigkeit der Teilchen vergrößern muss. Eine solche Anordnung wird als Synchrotron bezeichnet. In Bild 4 ist das Prinzip dargestellt. Durch einen Linearbeschleuniger werden schnelle Elektronen in den Ring eingeschossen. Sie werden durch Magnete M auf eine kreisähnliche Bahn gezwungen und in elektrischen Feldern E dazwischen weiter beschleunigt. Dazwischen gibt es auch Strecken, die die Elektronen geradlinig durchlaufen. Durch Ablenkmagnete A kann der Elektronenstrahl aus dem Ring herausgelenkt und z.B. auf Targets geschossen werden.

Eine der größten Anordnungen dieser Art befindet sich in Hamburg. Das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) wurde 1965 fertiggestellt und in den nachfolgenden Jahren ständig verbessert und ausgebaut.
Der 1965 in Betrieb genommene Beschleuniger lieferte Energien der Elektronen von 7,5 GeV.
Bei der 1978 in Betrieb genommene Anlage PETRA (Positron-Elektron-Tandem-Ring-Anlage) mit 2,3 km Umfang treffen Teilchen mit einer Energie von 12 GeV aufeinander.
Die 1984-1990 gebaute Hadron-Elektron-Ring-Anlage (HERA) hat einen Umfang von 6,3 km. In ihr können Elektronen bis auf 30 GeV und Protonen bis auf 820 GeV beschleunigt werden.
Weitere große Teilchenbeschleuniger befinden sich bei Genf (CERN), in den USA und in Russland (Dubna). Genauere Informationen findet man auch im Internet unter den Adressen www.desy.de und www.cern.ch.