Teilchenbeschleuniger
Ein Teilchenbeschleuniger ist eine Maschine, die elektromagnetische Felder nutzt, um geladene Teilchen auf sehr hohe Geschwindigkeiten und Energien zu beschleunigen und sie in genau definierten Strahlen zu bündeln. ⓘ
Große Beschleuniger werden für die Grundlagenforschung in der Teilchenphysik eingesetzt. Der größte derzeit in Betrieb befindliche Beschleuniger ist der Large Hadron Collider (LHC) in der Nähe von Genf, Schweiz, der vom CERN betrieben wird. Es handelt sich dabei um einen Kollisionsbeschleuniger, der zwei Protonenstrahlen auf eine Energie von 6,5 TeV beschleunigen und sie frontal zusammenstoßen lassen kann, wodurch Massenschwerpunktenergien von 13 TeV entstehen. Weitere leistungsstarke Beschleuniger sind das RHIC am Brookhaven National Laboratory in New York und das ehemalige Tevatron am Fermilab in Batavia, Illinois. Beschleuniger werden auch als Synchrotronlichtquellen für die Untersuchung der Physik der kondensierten Materie eingesetzt. Kleinere Teilchenbeschleuniger werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter die Teilchentherapie für onkologische Zwecke, die Produktion von Radioisotopen für die medizinische Diagnostik, Ionenimplantatoren für die Herstellung von Halbleitern und Beschleuniger-Massenspektrometer für Messungen seltener Isotope wie Radiokohlenstoff. Derzeit sind weltweit mehr als 30.000 Beschleuniger in Betrieb. ⓘ
Es gibt zwei grundlegende Klassen von Beschleunigern: elektrostatische und elektrodynamische (oder elektromagnetische) Beschleuniger. Elektrostatische Teilchenbeschleuniger nutzen statische elektrische Felder, um Teilchen zu beschleunigen. Die gängigsten Typen sind der Cockcroft-Walton-Generator und der Van-de-Graaff-Generator. Ein kleines Beispiel für diese Klasse ist die Kathodenstrahlröhre in einem gewöhnlichen alten Fernsehgerät. Die erreichbare kinetische Energie der Teilchen in diesen Geräten wird durch die Beschleunigungsspannung bestimmt, die durch den elektrischen Durchschlag begrenzt ist. Elektrodynamische oder elektromagnetische Beschleuniger hingegen nutzen wechselnde elektromagnetische Felder (entweder magnetische Induktion oder oszillierende Hochfrequenzfelder), um Teilchen zu beschleunigen. Da bei diesen Typen die Teilchen dasselbe Beschleunigungsfeld mehrfach durchlaufen können, ist die Ausgangsenergie nicht durch die Stärke des Beschleunigungsfeldes begrenzt. Diese Klasse, die erstmals in den 1920er Jahren entwickelt wurde, ist die Grundlage für die meisten modernen Großbeschleuniger. ⓘ
Rolf Widerøe, Gustav Ising, Leó Szilárd, Max Steenbeck und Ernest Lawrence gelten als Pioniere auf diesem Gebiet. Sie haben den ersten betriebsbereiten linearen Teilchenbeschleuniger, das Betatron und das Zyklotron konzipiert und gebaut. ⓘ
Da das Ziel der Teilchenstrahlen der frühen Beschleuniger in der Regel die Atome einer Materie waren, mit dem Ziel, Kollisionen mit ihren Kernen zu erzeugen, um die Kernstruktur zu untersuchen, wurden die Beschleuniger im 20. Jahrhundert gemeinhin als Atomzertrümmerer bezeichnet. Der Begriff hat sich gehalten, obwohl viele moderne Beschleuniger Kollisionen zwischen zwei subatomaren Teilchen und nicht zwischen einem Teilchen und einem Atomkern erzeugen. ⓘ
Je nach Teilchenart und Beschleunigertyp können die beschleunigten Teilchen annähernd Lichtgeschwindigkeit erreichen. Ihre Bewegungsenergie (kinetische Energie) beträgt dann ein Vielfaches ihrer eigenen Ruheenergie. In diesen Fällen beschreibt die Spezielle Relativitätstheorie die Teilchenbewegung. ⓘ
Die größten Beschleunigeranlagen werden in der Grundlagenforschung (bspw. in der Hochenergiephysik) eingesetzt, um mit den hochenergetischen Teilchen die fundamentalen Wechselwirkungen von Materie zu untersuchen und allerkleinste Strukturen zu erforschen. Daneben haben Teilchenbeschleuniger aber auch eine immer größere Bedeutung in der Medizin sowie für viele industrielle Anwendungen. ⓘ
Großbeschleuniger werden im Fachjargon oft, aber etwas irreführend, als „Maschinen“ bezeichnet. ⓘ
Verwendet
Strahlen aus hochenergetischen Teilchen sind für die Grundlagenforschung und die angewandte Forschung in den Wissenschaften sowie in vielen technischen und industriellen Bereichen nützlich, die nichts mit der Grundlagenforschung zu tun haben. Schätzungen zufolge gibt es weltweit etwa 30.000 Beschleuniger. Davon sind nur etwa 1 % Forschungsanlagen mit Energien über 1 GeV, während etwa 44 % für die Strahlentherapie, 41 % für die Ionenimplantation, 9 % für die industrielle Verarbeitung und Forschung und 4 % für die biomedizinische und sonstige Forschung mit niedriger Energie eingesetzt werden. ⓘ
Teilchenphysik
Für die grundlegendsten Untersuchungen zur Dynamik und Struktur von Materie, Raum und Zeit suchen Physiker nach den einfachsten Arten von Wechselwirkungen bei den höchstmöglichen Energien. Dazu gehören in der Regel Teilchenenergien von vielen GeV und Wechselwirkungen der einfachsten Teilchenarten: Leptonen (z. B. Elektronen und Positronen) und Quarks für die Materie oder Photonen und Gluonen für die Feldquanten. Da isolierte Quarks aufgrund des Farbeinschlusses experimentell nicht verfügbar sind, betreffen die einfachsten verfügbaren Experimente die Wechselwirkungen von Leptonen untereinander und von Leptonen mit Nukleonen, die aus Quarks und Gluonen bestehen. Um die Kollisionen von Quarks untereinander zu untersuchen, greifen die Wissenschaftler auf Kollisionen von Nukleonen zurück, die bei hoher Energie sinnvollerweise als Zwei-Körper-Wechselwirkungen der Quarks und Gluonen, aus denen sie bestehen, betrachtet werden können. Diese Elementarteilchenphysiker verwenden in der Regel Maschinen, die Strahlen von Elektronen, Positronen, Protonen und Antiprotonen erzeugen, die miteinander oder mit den einfachsten Kernen (z. B. Wasserstoff oder Deuterium) bei den höchstmöglichen Energien, im Allgemeinen Hunderte von GeV oder mehr, wechselwirken. ⓘ
Der größte und energiereichste Teilchenbeschleuniger für die Elementarteilchenphysik ist der Large Hadron Collider (LHC) am CERN, der seit 2009 in Betrieb ist. ⓘ
Kernphysik und Isotopenproduktion
Kernphysiker und Kosmologen können Strahlen von nackten Atomkernen ohne Elektronen verwenden, um die Struktur, die Wechselwirkungen und die Eigenschaften der Kerne selbst sowie von kondensierter Materie bei extrem hohen Temperaturen und Dichten zu untersuchen, wie sie in den ersten Momenten des Urknalls aufgetreten sein könnten. Bei diesen Untersuchungen werden häufig Kollisionen von schweren Kernen - von Atomen wie Eisen oder Gold - bei Energien von mehreren GeV pro Nukleon durchgeführt. Der größte Teilchenbeschleuniger dieser Art ist der Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) im Brookhaven National Laboratory. ⓘ
Teilchenbeschleuniger können auch Protonenstrahlen erzeugen, die im Gegensatz zu den neutronenreichen Isotopen, die in Spaltreaktoren hergestellt werden, protonenreiche Isotope für die Medizin oder die Forschung erzeugen können; in jüngster Zeit wurde jedoch gezeigt, wie 99Mo, das normalerweise in Reaktoren hergestellt wird, durch Beschleunigung von Wasserstoffisotopen erzeugt werden kann, obwohl diese Methode immer noch einen Reaktor zur Erzeugung von Tritium erfordert. Ein Beispiel für eine solche Anlage ist LANSCE in Los Alamos. ⓘ
Synchrotronstrahlung
Elektronen, die sich in einem Magnetfeld ausbreiten, senden mittels Synchrotronstrahlung sehr helle und kohärente Photonenstrahlen aus. Die Synchrotronstrahlung findet zahlreiche Anwendungen in der Erforschung der atomaren Struktur, der Chemie, der Physik der kondensierten Materie, der Biologie und der Technologie. Weltweit gibt es eine große Anzahl von Synchrotronlichtquellen. Beispiele in den USA sind SSRL am SLAC National Accelerator Laboratory, APS am Argonne National Laboratory, ALS am Lawrence Berkeley National Laboratory und NSLS am Brookhaven National Laboratory. In Europa gibt es MAX IV in Lund (Schweden), BESSY in Berlin (Deutschland), Diamond in Oxfordshire (Vereinigtes Königreich) und ESRF in Grenoble (Frankreich); letzteres wurde zur Gewinnung detaillierter dreidimensionaler Bilder von in Bernstein eingeschlossenen Insekten verwendet. ⓘ
Freie-Elektronen-Laser (FEL) sind eine besondere Klasse von Lichtquellen, die auf Synchrotronstrahlung basieren und kürzere Pulse mit höherer zeitlicher Kohärenz liefern. Ein speziell entwickelter FEL ist die brillanteste Quelle für Röntgenstrahlung im beobachtbaren Universum. Die bekanntesten Beispiele sind das LCLS in den USA und der European XFEL in Deutschland. Mehr Aufmerksamkeit wird den weichen Röntgenlasern gewidmet, die zusammen mit der Pulsverkürzung neue Methoden für die Wissenschaft im Attosekundenbereich eröffnen. Neben der Röntgenstrahlung werden FELs auch zur Emission von Terahertz-Licht eingesetzt, z. B. FELIX in Nijmegen, Niederlande, TELBE in Dresden, Deutschland und NovoFEL in Novosibirsk, Russland. ⓘ
Es besteht also ein großer Bedarf an Elektronenbeschleunigern mit moderater Energie (GeV), hoher Intensität und hoher Strahlqualität zum Antrieb von Lichtquellen. ⓘ
Niedrigenergiemaschinen und Teilchentherapie
Alltägliche Beispiele für Teilchenbeschleuniger sind Kathodenstrahlröhren in Fernsehgeräten und Röntgengeneratoren. Diese Niederenergie-Beschleuniger verwenden ein einziges Elektrodenpaar mit einer Gleichspannung von einigen tausend Volt zwischen ihnen. In einem Röntgengenerator ist das Target selbst eine der Elektroden. Ein Teilchenbeschleuniger mit niedriger Energie, ein so genannter Ionenimplantator, wird bei der Herstellung integrierter Schaltkreise eingesetzt. ⓘ
Bei niedrigeren Energien werden Strahlen aus beschleunigten Kernen auch in der Medizin als Teilchentherapie zur Behandlung von Krebs eingesetzt. ⓘ
Gleichstrombeschleuniger, die Teilchen auf Geschwindigkeiten beschleunigen können, die ausreichen, um Kernreaktionen auszulösen, sind Cockcroft-Walton-Generatoren oder Spannungsvervielfacher, die Wechselstrom in Hochspannungs-Gleichstrom umwandeln, oder Van-de-Graaff-Generatoren, die statische Elektrizität nutzen, die von Bändern getragen wird. ⓘ
Strahlensterilisation von medizinischen Geräten
Die Sterilisation mit Elektronenstrahlen ist eine gängige Methode der Sterilisation. Elektronenstrahlen sind eine On-Off-Technologie, die eine viel höhere Dosisleistung liefert als Gamma- oder Röntgenstrahlen, die von Radioisotopen wie Kobalt-60 (60Co) oder Cäsium-137 (137Cs) abgegeben werden. Aufgrund der höheren Dosisleistung ist eine kürzere Expositionszeit erforderlich und der Polymerabbau wird verringert. Da Elektronen eine Ladung tragen, sind Elektronenstrahlen weniger durchdringend als Gamma- und Röntgenstrahlen. ⓘ
Elektrostatische Teilchenbeschleuniger
Historisch gesehen nutzten die ersten Beschleuniger die einfache Technologie einer einzigen statischen Hochspannung, um geladene Teilchen zu beschleunigen. Das geladene Teilchen wurde durch eine evakuierte Röhre mit einer Elektrode an jedem Ende beschleunigt, an der das statische Potenzial anliegt. Da das Teilchen die Potenzialdifferenz nur einmal durchlief, war die abgegebene Energie auf die Beschleunigungsspannung der Maschine begrenzt. Diese Methode ist zwar auch heute noch sehr beliebt, und die elektrostatischen Beschleuniger übertreffen bei weitem alle anderen Typen, doch eignen sie sich eher für Studien mit geringerer Energie, da die Spannung bei luftisolierten Maschinen praktisch auf 1 MV begrenzt ist, bzw. auf 30 MV, wenn der Beschleuniger in einem Tank mit Druckgas mit hoher Durchschlagsfestigkeit, wie z. B. Schwefelhexafluorid, betrieben wird. In einem Tandembeschleuniger wird das Potenzial zweimal genutzt, um die Teilchen zu beschleunigen, indem die Ladung der Teilchen umgekehrt wird, während sie sich im Terminal befinden. Dies ist bei der Beschleunigung von Atomkernen möglich, indem Anionen (negativ geladene Ionen) verwendet werden und der Strahl dann durch eine dünne Folie geleitet wird, um die Elektronen von den Anionen in der Hochspannungsklemme abzuziehen und sie in Kationen (positiv geladene Ionen) umzuwandeln, die beim Verlassen der Klemme erneut beschleunigt werden. ⓘ
Die beiden Haupttypen elektrostatischer Beschleuniger sind der Cockcroft-Walton-Beschleuniger, der einen Dioden-Kondensator-Spannungsvervielfacher zur Erzeugung der Hochspannung verwendet, und der Van-de-Graaff-Beschleuniger, bei dem ein bewegliches Gewebeband die Ladung zur Hochspannungselektrode trägt. Obwohl elektrostatische Beschleuniger Teilchen entlang einer geraden Linie beschleunigen, wird der Begriff Linearbeschleuniger häufiger für Beschleuniger verwendet, die nicht mit statischen, sondern mit oszillierenden elektrischen Feldern arbeiten. ⓘ
- mit zyklischer Beschleunigung (auf spiralartiger oder rosettenförmiger oder ringförmig geschlossener Bahn)
- Betatron
- Zyklotron
- Mikrotron
- Synchrotron
- Speicherring
- Rhodotron ⓘ
Elektrodynamische (elektromagnetische) Teilchenbeschleuniger
Um Teilchen auf höhere Energien zu beschleunigen, werden aufgrund der hohen Spannungsobergrenze bei elektrischen Entladungen eher Techniken mit dynamischen als mit statischen Feldern eingesetzt. Die elektrodynamische Beschleunigung kann auf zwei Mechanismen beruhen: nicht-resonante magnetische Induktion oder durch oszillierende HF-Felder angeregte Resonanzkreise oder Hohlräume. Elektrodynamische Beschleuniger können linear sein, wobei die Teilchen in einer geraden Linie beschleunigt werden, oder kreisförmig, wobei Magnetfelder verwendet werden, um die Teilchen auf eine annähernd kreisförmige Bahn zu bringen. ⓘ
Magnetische Induktionsbeschleuniger
Magnetische Induktionsbeschleuniger beschleunigen Teilchen durch die Induktion eines zunehmenden Magnetfelds, so als wären die Teilchen die Sekundärwicklung eines Transformators. Das ansteigende Magnetfeld erzeugt ein zirkulierendes elektrisches Feld, das zur Beschleunigung der Teilchen konfiguriert werden kann. Induktionsbeschleuniger können entweder linear oder kreisförmig sein. ⓘ
Lineare Induktionsbeschleuniger
Bei linearen Induktionsbeschleunigern werden ferritbeladene, nicht-resonante Induktionskavitäten verwendet. Jede Kavität kann man sich als zwei große scheibenförmige Scheiben vorstellen, die durch ein äußeres zylindrisches Rohr verbunden sind. Zwischen den Scheiben befindet sich ein Ferrit-Toroid. Ein Spannungsimpuls, der zwischen den beiden Scheiben angelegt wird, erzeugt ein zunehmendes Magnetfeld, das induktiv Energie in den geladenen Teilchenstrahl einkoppelt. ⓘ
Der lineare Induktionsbeschleuniger wurde in den 1960er Jahren von Christofilos erfunden. Linearinduktionsbeschleuniger sind in der Lage, sehr hohe Strahlströme (>1000 A) in einem einzigen kurzen Impuls zu beschleunigen. Sie wurden zur Erzeugung von Röntgenstrahlen für die Blitzradiographie eingesetzt (z. B. DARHT am LANL) und sind als Teilcheninjektoren für die Fusion mit magnetischem Einschluss und als Treiber für Freie-Elektronen-Laser in Betracht gezogen worden. ⓘ
Betatrons
Das Betatron ist ein kreisförmiger magnetischer Induktionsbeschleuniger, der 1940 von Donald Kerst zur Beschleunigung von Elektronen erfunden wurde. Das Konzept geht letztlich auf den norwegisch-deutschen Wissenschaftler Rolf Widerøe zurück. Diese Maschinen verwenden wie Synchrotrons einen donutförmigen Ringmagneten (siehe unten) mit einem zyklisch ansteigenden B-Feld, beschleunigen aber die Teilchen durch Induktion aus dem ansteigenden Magnetfeld, als wären sie die Sekundärwicklung in einem Transformator, aufgrund des sich ändernden Magnetflusses durch die Umlaufbahn. ⓘ
Um einen konstanten Bahnradius zu erreichen und gleichzeitig ein geeignetes elektrisches Beschleunigungsfeld zu erzeugen, muss der magnetische Fluss, der die Bahn verbindet, in gewissem Maße unabhängig vom Magnetfeld auf der Bahn sein, wodurch die Teilchen in eine Kurve mit konstantem Radius gebogen werden. Diese Maschinen sind in der Praxis durch die großen Strahlungsverluste begrenzt, die die Elektronen erleiden, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf einer Umlaufbahn mit relativ kleinem Radius bewegen. ⓘ
Linearbeschleuniger
In einem linearen Teilchenbeschleuniger (Linac) werden die Teilchen in einer geraden Linie beschleunigt, an deren einem Ende sich ein Ziel befindet, das von Interesse ist. Sie werden häufig eingesetzt, um den Teilchen einen ersten Niedrigenergie-Kick zu geben, bevor sie in Kreisbeschleuniger injiziert werden. Der längste Linearbeschleuniger der Welt ist der Stanford Linear Accelerator, SLAC, mit einer Länge von 3 km. SLAC war ursprünglich ein Elektron-Positron-Beschleuniger, ist jetzt aber ein Freie-Elektronen-Röntgenlaser. ⓘ
Lineare Hochenergiebeschleuniger verwenden eine lineare Anordnung von Platten (oder Driftröhren), an die ein hochenergetisches Wechselfeld angelegt wird. Wenn sich die Teilchen einer Platte nähern, werden sie durch eine an die Platte angelegte Ladung entgegengesetzter Polarität auf diese zu beschleunigt. Wenn sie ein Loch in der Platte passieren, wird die Polarität umgeschaltet, so dass die Platte sie nun abstößt und sie von ihr zur nächsten Platte beschleunigt werden. Normalerweise wird ein Strom von Teilchenpaketen beschleunigt, daher wird an jede Platte eine sorgfältig kontrollierte Wechselspannung angelegt, um diesen Vorgang für jedes Paket kontinuierlich zu wiederholen. ⓘ
Wenn sich die Teilchen der Lichtgeschwindigkeit nähern, wird die Umschaltrate der elektrischen Felder so hoch, dass sie bei Radiofrequenzen arbeiten. Daher werden in Maschinen mit höherer Energie anstelle von einfachen Platten Mikrowellenhohlräume verwendet. ⓘ
Linearbeschleuniger werden auch in der Medizin für die Strahlentherapie und Radiochirurgie eingesetzt. Medizinische Linacs beschleunigen Elektronen mit Hilfe eines Klystrons und einer komplexen Biegemagnetanordnung, die einen Strahl von 6-30 MeV Energie erzeugt. Die Elektronen können direkt verwendet werden oder mit einem Target kollidieren, um einen Röntgenstrahl zu erzeugen. Die Zuverlässigkeit, Flexibilität und Genauigkeit des erzeugten Strahlenbündels hat die ältere Kobalt-60-Therapie als Behandlungsinstrument weitgehend verdrängt. ⓘ
Zirkuläre oder zyklische RF-Beschleuniger
Im Kreisbeschleuniger bewegen sich die Teilchen in einem Kreis, bis sie eine ausreichende Energie erreichen. Die Teilchenbahn wird in der Regel mit Hilfe von Elektromagneten zu einem Kreis gebogen. Der Vorteil von Kreisbeschleunigern gegenüber Linearbeschleunigern (Linacs) besteht darin, dass die Ringtopologie eine kontinuierliche Beschleunigung ermöglicht, da sich das Teilchen unbegrenzt bewegen kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein Kreisbeschleuniger kleiner ist als ein Linearbeschleuniger mit vergleichbarer Leistung (d. h. ein Linac müsste extrem lang sein, um die gleiche Leistung wie ein Kreisbeschleuniger zu erreichen). ⓘ
Je nach Energie und Teilchen, die beschleunigt werden, haben Kreisbeschleuniger den Nachteil, dass die Teilchen Synchrotronstrahlung aussenden. Wenn ein geladenes Teilchen beschleunigt wird, sendet es elektromagnetische Strahlung und Sekundäremissionen aus. Da ein Teilchen, das sich im Kreis bewegt, immer in Richtung des Kreiszentrums beschleunigt wird, strahlt es kontinuierlich in Richtung der Kreistangente. Diese Strahlung wird als Synchrotronlicht bezeichnet und hängt stark von der Masse des beschleunigenden Teilchens ab. Aus diesem Grund handelt es sich bei vielen Hochenergie-Elektronenbeschleunigern um Linacs. Bestimmte Beschleuniger (Synchrotrons) werden jedoch speziell für die Erzeugung von Synchrotronlicht (Röntgenstrahlung) gebaut. ⓘ
Da sich Materie nach der speziellen Relativitätstheorie im Vakuum immer langsamer als die Lichtgeschwindigkeit bewegt, nähert sich die Teilchengeschwindigkeit in Hochenergiebeschleunigern mit zunehmender Energie der Lichtgeschwindigkeit als Grenzwert an, erreicht sie aber nie. Aus diesem Grund denken Teilchenphysiker im Allgemeinen nicht in Begriffen der Geschwindigkeit, sondern in Begriffen der Energie oder des Impulses eines Teilchens, die gewöhnlich in Elektronenvolt (eV) gemessen werden. Ein wichtiges Prinzip für Kreisbeschleuniger und Teilchenstrahlen im Allgemeinen ist, dass die Krümmung der Teilchenflugbahn proportional zur Teilchenladung und zum Magnetfeld, aber umgekehrt proportional zum (typischerweise relativistischen) Impuls ist. ⓘ
Zyklotrone
Die ersten betriebsbereiten Kreisbeschleuniger waren Zyklotrone, die 1929 von Ernest Lawrence an der University of California in Berkeley erfunden wurden. Zyklotrone bestehen aus einem einzigen Paar hohler D-förmiger Platten, die die Teilchen beschleunigen, und einem einzigen großen Dipolmagneten, der ihre Bahn auf eine kreisförmige Umlaufbahn lenkt. Es ist eine charakteristische Eigenschaft geladener Teilchen in einem gleichmäßigen und konstanten Magnetfeld B, dass sie mit einer konstanten Periode mit einer Frequenz kreisen, die Zyklotronfrequenz genannt wird, solange ihre Geschwindigkeit klein ist im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit c. Das bedeutet, dass die beschleunigenden D's eines Zyklotrons mit einer konstanten Frequenz von einer Hochfrequenz (HF) Beschleunigungsstromquelle angetrieben werden können, da der Strahl kontinuierlich nach außen kreisförmig ist. Die Teilchen werden in der Mitte des Magneten injiziert und am äußeren Rand mit ihrer maximalen Energie herausgezogen. ⓘ
Zyklotrone erreichen aufgrund relativistischer Effekte eine Energiegrenze, wobei die Teilchen effektiv massiver werden, so dass ihre Zyklotronfrequenz nicht mehr mit der beschleunigenden HF übereinstimmt. Daher können einfache Zyklotrone Protonen nur bis zu einer Energie von etwa 15 Millionen Elektronenvolt (15 MeV, was einer Geschwindigkeit von etwa 10 % von c entspricht) beschleunigen, da die Protonen aus der Phase mit dem treibenden elektrischen Feld geraten. Würde man den Strahl weiter beschleunigen, so würde er sich spiralförmig auf einen größeren Radius ausdehnen, aber die Teilchen würden nicht mehr genug Geschwindigkeit gewinnen, um den größeren Kreis im Gleichschritt mit dem beschleunigenden RF zu vollenden. Um den relativistischen Effekten Rechnung zu tragen, muss das Magnetfeld auf größere Radien vergrößert werden, wie dies bei isochronen Zyklotrons der Fall ist. Ein Beispiel für ein isochrones Zyklotron ist das PSI-Ring-Zyklotron in der Schweiz, das Protonen mit einer Energie von 590 MeV liefert, was etwa 80% der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Der Vorteil eines solchen Zyklotrons ist der maximal erreichbare extrahierte Protonenstrom, der derzeit 2,2 mA beträgt. Die Energie und der Strom entsprechen einer Strahlleistung von 1,3 MW, was die höchste Leistung aller derzeit existierenden Beschleuniger ist. ⓘ
Synchrozyklotrone und isochrone Zyklotrone
Ein klassisches Zyklotron kann modifiziert werden, um seine Energiegrenze zu erhöhen. Der historisch erste Ansatz war das Synchrozyklotron, das die Teilchen in Bündeln beschleunigt. Es verwendet ein konstantes Magnetfeld Es verwendet ein konstantes Magnetfeld, reduziert aber die Frequenz des Beschleunigungsfeldes, um die Teilchen auf ihrem Weg nach außen im Gleichschritt zu halten, was ihrer massenabhängigen Zyklotronresonanzfrequenz entspricht. Dieser Ansatz leidet unter der niedrigen durchschnittlichen Strahlintensität aufgrund der Bündelung und wiederum unter der Notwendigkeit eines riesigen Magneten mit großem Radius und konstantem Feld über die größere Umlaufbahn, die durch die hohe Energie erforderlich ist. ⓘ
Der zweite Ansatz für das Problem der Beschleunigung relativistischer Teilchen ist das isochrone Zyklotron. In einer solchen Struktur wird die Frequenz des Beschleunigungsfeldes (und die Resonanzfrequenz des Zyklotrons) für alle Energien konstant gehalten, indem die Magnetpole so geformt werden, dass das Magnetfeld mit dem Radius zunimmt. So werden alle Teilchen in isochronen Zeitintervallen beschleunigt. Teilchen mit höherer Energie legen bei jeder Umkreisung eine kürzere Strecke zurück als in einem klassischen Zyklotron und bleiben so in Phase mit dem Beschleunigungsfeld. Der Vorteil des isochronen Zyklotrons besteht darin, dass es kontinuierliche Strahlen mit höherer Durchschnittsintensität liefern kann, was für einige Anwendungen nützlich ist. Die größten Nachteile sind die Größe und die Kosten des benötigten großen Magneten sowie die Schwierigkeit, die erforderlichen hohen Magnetfeldwerte am äußeren Rand der Struktur zu erreichen. ⓘ
Seit der Entwicklung des isochronen Zyklotrons wurden keine Synchrozyklotrone mehr gebaut. ⓘ
Synchrotrone
Um noch höhere Energien zu erreichen, mit einer relativistischen Masse, die sich der Ruhemasse der Teilchen nähert oder diese übersteigt (für Protonen Milliarden von Elektronenvolt oder GeV), muss ein Synchrotron verwendet werden. Dies ist ein Beschleuniger, in dem die Teilchen in einem Ring mit konstantem Radius beschleunigt werden. Der unmittelbare Vorteil gegenüber Zyklotrons besteht darin, dass das Magnetfeld nur in dem Bereich vorhanden sein muss, in dem sich die Teilchen tatsächlich bewegen, und der sehr viel schmaler ist als der des Rings. (Das größte in den USA gebaute Zyklotron hatte einen Magnetpol mit einem Durchmesser von 4,7 m (184 Zoll), während der Durchmesser von Synchrotrons wie LEP und LHC fast 10 km beträgt. Die Apertur der beiden Strahlen des LHC liegt in der Größenordnung von einem Zentimeter). Der LHC enthält 16 HF-Resonatoren, 1232 supraleitende Dipolmagnete zur Strahlsteuerung und 24 Quadrupole zur Strahlfokussierung. Selbst bei dieser Größe ist der LHC durch seine Fähigkeit begrenzt, die Teilchen zu lenken, ohne dass sie abdriften. Diese Grenze wird theoretisch bei 14 TeV erreicht. ⓘ
Da jedoch der Teilchenimpuls während der Beschleunigung zunimmt, muss das Magnetfeld B proportional erhöht werden, um die Krümmung der Bahn konstant zu halten. Folglich können Synchrotrons die Teilchen nicht kontinuierlich beschleunigen, wie es Zyklotrone können, sondern müssen zyklisch arbeiten, indem sie die Teilchen in Bündeln liefern, die in der Regel alle paar Sekunden auf ein Target oder einen externen Strahl geschossen werden. ⓘ
Da Hochenergiesynchrotrons die meiste Arbeit mit Teilchen verrichten, die sich bereits mit nahezu Lichtgeschwindigkeit c bewegen, ist die Zeit für eine Ringumlaufbahn nahezu konstant, ebenso wie die Frequenz der HF-Resonatoren, die für die Beschleunigung verwendet werden. ⓘ
In modernen Synchrotrons ist die Strahlöffnung klein und das Magnetfeld deckt nicht den gesamten Bereich der Teilchenbahn ab, wie es bei einem Zyklotron der Fall ist, so dass mehrere notwendige Funktionen getrennt werden können. Anstelle eines einzigen großen Magneten hat man eine Reihe von Hunderten von Biegemagneten, die von Vakuumverbindungsrohren umschlossen (oder eingeschlossen) sind. Die Konstruktion von Synchrotrons wurde in den frühen 1950er Jahren durch die Entdeckung des Konzepts der starken Fokussierung revolutioniert. Die Fokussierung des Strahls erfolgt unabhängig durch spezielle Quadrupolmagnete, während die Beschleunigung selbst in separaten HF-Abschnitten erfolgt, ähnlich wie bei kurzen Linearbeschleunigern. Außerdem müssen zyklische Maschinen nicht zwangsläufig kreisförmig sein, sondern das Strahlrohr kann gerade Abschnitte zwischen den Magneten aufweisen, in denen die Strahlen kollidieren, gekühlt werden können usw. Dies hat sich zu einem eigenen Fachgebiet entwickelt, das "Strahlphysik" oder "Strahloptik" genannt wird. ⓘ
Komplexere moderne Synchrotrons wie das Tevatron, das LEP und der LHC können die Teilchenpakete in Speicherringe aus Magneten mit konstantem Magnetfeld leiten, wo sie für Experimente oder weitere Beschleunigung über lange Zeiträume weiter kreisen können. Bei den energiereichsten Maschinen wie dem Tevatron und dem LHC handelt es sich eigentlich um Beschleunigerkomplexe mit einer Kaskade spezialisierter, hintereinander geschalteter Elemente, darunter Linearbeschleuniger für die anfängliche Strahlerzeugung, ein oder mehrere Synchrotron(e) mit niedriger Energie zum Erreichen einer Zwischenenergie, Speicherringe, in denen die Strahlen akkumuliert oder "gekühlt" werden können (wodurch die erforderliche Magnetöffnung verringert und eine engere Fokussierung ermöglicht wird; siehe Strahlkühlung), und ein letzter großer Ring für die endgültige Beschleunigung und für Experimente. ⓘ
Elektronen-Synchrotrons
Zirkulare Elektronenbeschleuniger wurden in der Teilchenphysik etwa zu der Zeit, als der lineare Teilchenbeschleuniger von SLAC gebaut wurde, etwas in Vergessenheit geraten, weil ihre Synchrotronverluste als wirtschaftlich untragbar angesehen wurden und weil ihre Strahlintensität geringer war als die der ungepulsten linearen Maschinen. Das Cornell-Elektronensynchrotron, das in den späten 1970er Jahren kostengünstig gebaut wurde, war der erste einer Reihe von kreisförmigen Hochenergie-Elektronenbeschleunigern, die für die fundamentale Teilchenphysik gebaut wurden. Der letzte war der LEP, der am CERN gebaut und von 1989 bis 2000 genutzt wurde. ⓘ
In den letzten zwei Jahrzehnten wurden zahlreiche Elektronen-Synchrotrons als Teil von Synchrotron-Lichtquellen gebaut, die ultraviolettes Licht und Röntgenstrahlen aussenden (siehe unten). ⓘ
Speicherringe
Für einige Anwendungen ist es nützlich, Strahlen mit hochenergetischen Teilchen für einige Zeit (mit moderner Hochvakuumtechnik bis zu vielen Stunden) ohne weitere Beschleunigung zu speichern. Dies gilt insbesondere für Beschleuniger mit kollidierenden Strahlen, bei denen zwei Strahlen, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, zur Kollision gebracht werden, was einen großen Gewinn an effektiver Kollisionsenergie bedeutet. Da bei jedem Durchgang durch den Schnittpunkt der beiden Strahlen relativ wenige Kollisionen auftreten, ist es üblich, die Strahlen zunächst auf die gewünschte Energie zu beschleunigen und sie dann in Speicherringen zu speichern, die im Wesentlichen Synchrotronringe aus Magneten sind und keine nennenswerte HF-Leistung zur Beschleunigung benötigen. ⓘ
Synchrotronstrahlungsquellen
Einige Kreisbeschleuniger wurden gebaut, um gezielt Strahlung (Synchrotronlicht genannt) in Form von Röntgenstrahlung zu erzeugen, z. B. die Diamond Light Source, die am Rutherford Appleton Laboratory in England gebaut wurde, oder die Advanced Photon Source am Argonne National Laboratory in Illinois, USA. Hochenergetische Röntgenstrahlen sind z. B. für die Röntgenspektroskopie von Proteinen oder die Röntgenabsorptionsfeinstruktur (XAFS) nützlich. ⓘ
Synchrotronstrahlung wird von leichteren Teilchen stärker emittiert, daher sind diese Beschleuniger ausnahmslos Elektronenbeschleuniger. Synchrotronstrahlung ermöglicht eine bessere Bildgebung, wie sie am SPEAR des SLAC erforscht und entwickelt wurde. ⓘ
Festfeld-Wechselgradienten-Beschleuniger
Festfeld-Wechselgradienten-Beschleuniger (FFA), bei denen ein zeitlich feststehendes Magnetfeld mit einer radialen Variation zur starken Fokussierung den Strahl mit einer hohen Wiederholrate, aber mit einer viel geringeren radialen Streuung als im Zyklotronfall beschleunigt. Isochrone FFAs erreichen wie isochrone Zyklotrone einen kontinuierlichen Strahlbetrieb, jedoch ohne die Notwendigkeit eines riesigen Dipol-Biegemagneten, der den gesamten Radius der Bahnen abdeckt. Einige neue Entwicklungen bei FFAs werden in. ⓘ
Geschichte
Das erste Zyklotron von Ernest Lawrence hatte einen Durchmesser von nur 100 mm (4 Zoll). Später, im Jahr 1939, baute er eine Maschine mit einer Polfläche von 60 Zoll Durchmesser und plante 1942 eine Maschine mit einem Durchmesser von 184 Zoll, die jedoch für Arbeiten im Zusammenhang mit dem Zweiten Weltkrieg übernommen wurde, die mit der Trennung von Uranisotopen zu tun hatten; nach dem Krieg wurde sie noch viele Jahre lang für Forschung und Medizin eingesetzt. ⓘ
Das erste große Protonensynchrotron war das Cosmotron im Brookhaven National Laboratory, das Protonen auf etwa 3 GeV beschleunigte (1953-1968). Das Bevatron in Berkeley, das 1954 fertiggestellt wurde, diente speziell dazu, Protonen auf eine ausreichende Energie zu beschleunigen, um Antiprotonen zu erzeugen und die damals nur theoretisch angenommene Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie der Natur zu überprüfen. Das Alternating Gradient Synchrotron (AGS) in Brookhaven (1960-) war das erste große Synchrotron mit "stark fokussierenden" Magneten mit alternierendem Gradienten, wodurch die erforderliche Öffnung des Strahls und dementsprechend die Größe und die Kosten der Biegemagnete erheblich reduziert wurden. Das Protonen-Synchrotron, das am CERN (1959-) gebaut wurde, war der erste große europäische Teilchenbeschleuniger und ähnelt im Allgemeinen dem AGS. ⓘ
Der Stanford Linear Accelerator, SLAC, wurde 1966 in Betrieb genommen und beschleunigte Elektronen auf 30 GeV in einem 3 km langen Wellenleiter, der in einem Tunnel vergraben war und von Hunderten von großen Klystrons angetrieben wurde. Es ist immer noch der größte existierende Linearbeschleuniger und wurde mit zusätzlichen Speicherringen und einer Elektron-Positron-Collider-Anlage aufgerüstet. Er ist auch eine Röntgen- und UV-Synchrotron-Photonenquelle. ⓘ
Das Fermilab Tevatron hat einen Ring mit einem Strahlengang von 6,4 km (4 Meilen). Es wurde mehrfach aufgerüstet und diente als Proton-Antiproton-Collider, bis es am 30. September 2011 aufgrund von Budgetkürzungen abgeschaltet wurde. Der größte jemals gebaute Kreisbeschleuniger war das LEP-Synchrotron am CERN mit einem Umfang von 26,6 Kilometern, ein Elektron/Positron-Collider. Er erreichte eine Energie von 209 GeV, bevor er im Jahr 2000 abgebaut wurde, damit der Tunnel für den Large Hadron Collider (LHC) genutzt werden konnte. Der LHC ist ein Protonenbeschleuniger und derzeit der größte und energiereichste Beschleuniger der Welt, der eine Energie von 6,5 TeV pro Strahl (13 TeV insgesamt) erreicht. ⓘ
Der abgebrochene Superconducting Super Collider (SSC) in Texas hätte einen Umfang von 87 km gehabt. Der Bau wurde 1991 begonnen, aber 1993 aufgegeben. Sehr große kreisförmige Beschleuniger werden immer in Tunneln mit einer Breite von wenigen Metern gebaut, um die Störungen und die Kosten für den Bau einer solchen Struktur an der Oberfläche zu minimieren und um eine Abschirmung gegen die intensive Sekundärstrahlung zu gewährleisten, die bei hohen Energien extrem durchdringend ist. ⓘ
Aktuelle Beschleuniger wie die Spallationsneutronenquelle sind mit supraleitenden Kryomodulen ausgestattet. Der Relativistic Heavy Ion Collider und der Large Hadron Collider nutzen ebenfalls supraleitende Magnete und HF-Hohlraumresonatoren zur Beschleunigung von Teilchen. ⓘ
Targets
Die Leistung eines Teilchenbeschleunigers kann im Allgemeinen mit Hilfe eines ablenkenden Elektromagneten auf mehrere Experimentierlinien gleichzeitig ausgerichtet werden. Auf diese Weise können mehrere Experimente durchgeführt werden, ohne dass der gesamte Beschleunigerstrahl abgeschaltet werden muss. Mit Ausnahme von Synchrotronstrahlungsquellen besteht der Zweck eines Beschleunigers darin, hochenergetische Teilchen für die Wechselwirkung mit Materie zu erzeugen. ⓘ
Dabei handelt es sich in der Regel um ein festes Target, z. B. die Phosphorbeschichtung auf der Rückseite des Bildschirms bei einer Fernsehröhre, ein Stück Uran in einem Beschleuniger, der als Neutronenquelle dient, oder ein Wolframtarget für einen Röntgengenerator. In einem Linac wird das Target einfach an das Ende des Beschleunigers montiert. Die Teilchenbahn in einem Zyklotron verläuft spiralförmig vom Zentrum der kreisförmigen Maschine nach außen, so dass die beschleunigten Teilchen wie bei einem Linearbeschleuniger von einem festen Punkt ausgehen. ⓘ
Bei Synchrotrons ist die Situation komplexer. Die Teilchen werden auf die gewünschte Energie beschleunigt. Dann werden die Teilchen mit Hilfe eines schnell wirkenden Dipolmagneten aus der kreisförmigen Synchrotronröhre in Richtung des Targets geschaltet. ⓘ
Eine in der Teilchenphysikforschung häufig verwendete Variante ist ein Collider, auch Speicherring-Collider genannt. Dabei werden zwei kreisförmige Synchrotrons in unmittelbarer Nähe zueinander gebaut - in der Regel übereinander und mit denselben Magneten (die dann komplizierter konstruiert sind, um beide Strahlrohre aufnehmen zu können). Die Teilchenbündel bewegen sich in entgegengesetzter Richtung um die beiden Beschleuniger herum und stoßen an den Schnittpunkten zwischen ihnen zusammen. Während bei einem Experiment mit festem Ziel die zur Erzeugung neuer Teilchen verfügbare Energie proportional zur Quadratwurzel der Strahlenergie ist, ist die verfügbare Energie in einem Collider linear. ⓘ
Höhere Energien
Die Beschleuniger mit der höchsten Energie sind derzeit alle Kreisbeschleuniger, aber sowohl Hadronen- als auch Elektronenbeschleuniger stoßen an ihre Grenzen. Höherenergetische Hadronen- und zyklische Ionenbeschleuniger erfordern aufgrund der höheren Strahlsteifigkeit Beschleunigertunnel mit größeren Abmessungen. ⓘ
Bei zyklischen Elektronenbeschleunigern wird der praktische Biegeradius durch die Synchrotronstrahlungsverluste begrenzt, und die nächste Generation wird wahrscheinlich aus Linearbeschleunigern bestehen, die zehnmal so lang sind wie die derzeitigen. Ein Beispiel für einen solchen Elektronenbeschleuniger der nächsten Generation ist der geplante 40 km lange Internationale Linearbeschleuniger. ⓘ
Man geht davon aus, dass die Plasma-Wakefield-Beschleunigung in Form von Elektronenstrahl-"Nachbrennern" und eigenständigen Laserpulsern innerhalb von zwei bis drei Jahrzehnten eine drastische Steigerung der Effizienz gegenüber HF-Beschleunigern ermöglichen könnte. Bei Plasma-Wakefield-Beschleunigern ist der Strahlenhohlraum mit einem Plasma (und nicht mit Vakuum) gefüllt. Ein kurzer Elektronen- oder Laserlichtpuls bildet entweder die Teilchen, die beschleunigt werden sollen, oder geht ihnen unmittelbar voraus. Der Puls unterbricht das Plasma, so dass sich die geladenen Teilchen im Plasma in den hinteren Teil des zu beschleunigenden Teilchenpakets integrieren und sich dorthin bewegen. Dieser Prozess überträgt Energie auf das Teilchenbündel und beschleunigt es weiter, solange der Puls kohärent ist. ⓘ
Mit Laserpulsern wurden Energiegradienten von bis zu 200 GeV/m über Entfernungen im Millimeterbereich erreicht, und mit Elektronenstrahlsystemen werden Gradienten von annähernd 1 GeV/m im Multizentimeterbereich erzeugt, während der Grenzwert für die reine Hochfrequenzbeschleunigung bei etwa 0,1 GeV/m liegt. Bestehende Elektronenbeschleuniger wie SLAC könnten Elektronenstrahl-Nachbrenner einsetzen, um die Energie ihrer Teilchenstrahlen stark zu erhöhen, was allerdings auf Kosten der Strahlintensität geht. Elektronensysteme können im Allgemeinen eng kollimierte, zuverlässige Strahlen liefern; Lasersysteme bieten möglicherweise mehr Leistung und Kompaktheit. Daher könnten Plasma-Wakefield-Beschleuniger - sofern die technischen Probleme gelöst werden können - eingesetzt werden, um sowohl die maximale Energie der größten Beschleuniger zu erhöhen als auch hohe Energien in Universitätslabors und medizinische Zentren zu bringen. ⓘ
Mit einem dielektrischen Laserbeschleuniger wurden Gradienten von mehr als 0,25 GeV/m erreicht, was einen weiteren gangbaren Weg zum Bau kompakter Hochenergiebeschleuniger darstellen könnte. Mit Femtosekunden-Laserpulsen wurde für dielektrische Laserbeschleuniger ein Elektronenbeschleunigungsgradient von 0,69 Gev/m gemessen. Nach weiteren Optimierungen sind höhere Gradienten in der Größenordnung von 1 bis 6 GeV/m zu erwarten. ⓘ
Erzeugung von Schwarzen Löchern und Bedenken hinsichtlich der öffentlichen Sicherheit
Wenn bestimmte Vorhersagen der Superstring-Theorie zutreffen, könnte in Zukunft an den Beschleunigern mit der höchsten Energie ein Schwarzes Loch entstehen. Diese und andere Möglichkeiten haben zu öffentlichen Sicherheitsbedenken geführt, über die im Zusammenhang mit dem LHC, der 2008 in Betrieb genommen wurde, viel berichtet wurde. Die verschiedenen möglichen Gefahrenszenarien wurden in der jüngsten Risikobewertung der LHC Safety Assessment Group als "keine vorstellbare Gefahr" eingestuft. Sollten Schwarze Löcher entstehen, so wird theoretisch vorhergesagt, dass solche kleinen Schwarzen Löcher durch Bekenstein-Hawking-Strahlung extrem schnell verdampfen sollten, was aber experimentell noch nicht bestätigt ist. Wenn Kollider Schwarze Löcher erzeugen können, dann muss die kosmische Strahlung (und insbesondere die ultrahochenergetische kosmische Strahlung, UHECR) sie schon seit Äonen erzeugen, aber sie haben noch niemandem geschadet. Es wurde argumentiert, dass aus Gründen der Energie- und Impulserhaltung alle schwarzen Löcher, die bei einer Kollision zwischen einer UHECR und lokaler Materie entstehen, sich zwangsläufig mit relativistischer Geschwindigkeit gegenüber der Erde bewegen und in den Weltraum entkommen müssten, da ihre Akkretions- und Wachstumsrate sehr langsam sein müsste, während schwarze Löcher, die in Kollisionsmaschinen (mit Komponenten gleicher Masse) erzeugt werden, eine gewisse Chance hätten, eine geringere Geschwindigkeit als die Fluchtgeschwindigkeit der Erde (11,2 km pro Sekunde) zu haben und eingefangen zu werden und zu wachsen. Doch selbst in einem solchen Szenario würden die Kollisionen von UHECRs mit Weißen Zwergen und Neutronensternen zu ihrer raschen Zerstörung führen, aber diese Körper sind beobachtete, häufige astronomische Objekte. Sollten also stabile Mikro-Schwarze Löcher entstehen, müssten sie viel zu langsam wachsen, um innerhalb der natürlichen Lebensdauer des Sonnensystems merkliche makroskopische Auswirkungen zu verursachen. ⓘ
Betreiber von Beschleunigern
Der Einsatz fortschrittlicher Technologien wie Supraleitung, Kryotechnik und Hochleistungs-Hochfrequenzverstärker sowie das Vorhandensein ionisierender Strahlung stellen Herausforderungen für den sicheren Betrieb von Beschleunigeranlagen dar. Ein Beschleunigerbediener steuert den Betrieb eines Teilchenbeschleunigers und passt Betriebsparameter wie das Seitenverhältnis, die Stromstärke und die Position am Ziel an. Er kommuniziert mit dem Wartungspersonal des Beschleunigers und unterstützt dieses bei der Sicherstellung der Betriebsbereitschaft der Unterstützungssysteme wie Vakuum, Magnete, Magnet- und Hochfrequenzstromversorgung und -steuerung sowie Kühlsysteme. Darüber hinaus führt der Beschleunigerbediener Aufzeichnungen über beschleunigerbezogene Ereignisse. ⓘ
Anwendungsgebiete
- Physik: Kernphysik, Teilchenphysik, Kosmologie, Synchrotronstrahlung
- Chemie: Massenspektrometer
- Medizin: Strahlentherapie
- Materialuntersuchung: Durchstrahlungsprüfung
- Industrie: Strahlensterilisation, Lebensmittelbestrahlung, Elektronenstrahlschweißen, Röntgenlithographie, Elektronenstrahllithographie ⓘ
Synchrotronstrahlung
Synchrotronstrahlung war ursprünglich ein „Abfallprodukt“ großer, für die physikalische Forschung gebauter Elektronenbeschleuniger (z. B. im HASYLAB beim DESY). Sie wird heute (2014) vielfältig in der Materialforschung, zur medizinischen Diagnostik, Strukturanalyse von Biomolekülen und anderen Anwendungen eingesetzt und dafür in vielen eigens dafür gebauten Elektronen-Beschleunigeranlagen erzeugt. ⓘ
Ein Sonderfall der Erzeugung von Synchrotronstrahlung ist der Freie-Elektronen-Laser. ⓘ
Auszeichnungen
Für Leistungen auf dem Gebiet der Beschleunigerphysik werden der Robert R. Wilson Prize, der IEEE Particle Accelerator Science and Technology Award, die EPS Accelerator Group Prizes und der USPAS Prize for Achievement in Accelerator Physics and Technology verliehen. Nobelpreise auf diesem Gebiet wurden bisher an Ernest Lawrence, John Cockcroft, Ernest Walton, Edwin McMillan und Simon van der Meer vergeben. Außerdem basieren zahlreiche weitere Nobelpreise auf Entdeckungen, die an Teilchenbeschleunigern gemacht wurden. ⓘ
Siehe auch
- Elektronenbeschleuniger
- Ionenstrahl
- Beschleunigungsspannung
- Luminosität
- Gaußgewehr
- Superconducting Super Collider ⓘ
Literatur
- Herbert Daniel: Beschleuniger, Teubner 1974
- F. Hinterberger: Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik. 2. Auflage. Springer 2008, ISBN 978-3-540-75281-3.
- Ragnar Hellborg (Hrsg.): Electrostatic Accelerators. Springer Verlag, Berlin 2005, ISBN 3-540-23983-9.
- Klaus Wille: Physik der Teilchenbeschleuniger und Synchrotronstrahlungsquellen. Teubner, 2. Auflage, 1996
- Pedro Waloschek, Oskar Höfling: Die Welt der kleinsten Teilchen. Vorstoß zur Struktur der Materie, rororo 1984, 2. Auflage 1988 (populärwissenschaftlich)
- Andrew Sessler, Edmund Wilson: Engines of discovery – a century of particle accelerators. World Scientific 2007 (zur Geschichte) ⓘ
Für Hochenergiebeschleuniger:
- Helmut Wiedemann Particle Accelerator Physics. 3. Auflage. Springer 2007, ISBN 3-540-49043-4. ⓘ
Weblinks
Wiktionary: Teilchenbeschleuniger – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen- Moderne Beschleuniger- und Detektortechnik am Beispiel des Deutschen Elektronen-Synchrotrons
- Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger? (Memento vom 30. Dezember 2010 im Internet Archive)
- Vorlesung über Beschleunigerphysik von Otmar Biebel, Universität München
- Informationen zum Large Hadron Collider
- Hohlleiter und Klystron.pdf (Memento vom 12. Mai 2012 im Internet Archive)
- Übersicht der Teilchenbeschleuniger (Skriptum einer Vorlesung, 2005, pdf) ⓘ