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Beschleuniger

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Bei allen Beschleunigern werden elektrische Felder zur Beschleunigung der Ladungen eingesetzt. Da es technisch nicht möglich ist, beliebig hohe Potentialdifferenzen zu erzeugen, sind der Beschleunigung mit statischen Feldern natürlich Grenzen gesetzt. Die bei einem Streuprozess zur Verfügung stehende Schwerpunktsenergie wächst im Falle eines Fixed Targets lediglich mit der Wurzel der Strahlenergie:

\sqrt{s}_{\mbox{Fixed Target}} = \sqrt{2E_a m_b c^2 + (m_a^2 + m_b^2)c^4} \to \sqrt{2E_am_bc^2}

Bei einer Kollision von Teilchen mit identischen Massen und Strahlenergien steht dagegen die gesamte Strahlenergie zur Verfügung, da das Laborsystem gleich dem Schwerpunktsystem ist:

\sqrt{s}_{\mbox{collider}} = 2E_a

Grundelemente eines BeschleunigersBearbeiten

Jeder Beschleuniger enthält die folgenden Komponenten:

  • Teilchenquelle: Eine Ionenquelle oder Elektronenquelle, oft werden auch Teilchen eingesetzt, die selber aus Streuprozessen stammen.
  • Beschleunigungsstruktur
  • Strahlrohr (mit möglichst gutem Vakuum)
  • Fokussierungselemente (+Ablenkelemente)

Van-de-Graff-Beschleuniger (elektrostatisch)Bearbeiten

Eine Ionenquelle bringt geladene Teilchen in die Nähe einer stark geladenen Kapazität (genannt Terminal) , die abstoßend wirkt. Um das Strahlrohr herum sind ringförmige Leiter auf unterschiedlichen Potentialstufen (Übergang vom Terminal bis zum geerdeten Austrittsrohr) angebracht, die das Teilchen nach und nach beschleunigen. Insgesamt erhält das Teilchen also eine kinetische Energie:

E = ZeU

Typischerweise ist es möglich, Potentialunterschiede von bis zu 15MeV zu erzeugen. Der Terminal wird über ein reibendes Isolatorband kontinuierlich nachgeladen. (Auf diesem werden entweder durch den berühmten Katzenfell-Effekt freie Ladungen erzeugt oder über andere Wege zusätzliche Ladungen aufgebracht) Zwischen Terminal und geerdeter Außenhülle bringt man üblicherweise ein isolierendes Gas ein.


Eine Erweiterung des Van-de-Graff-Beschleunigers stellt der Tandem-VdG-Beschleuniger dar. Hier werden zunächt negativ geladene Ionen außerhalb der Beschleunigungsstruktur erzeugt, diese werden dann zum positiv geladenen Terminal hin beschleunigt. Auf Höhe des Terminals durchlaufen sie eine Durschlagfolie (genannt Stripper), an der sie Elektronen abstreifen, so dass einige von ihnen hinterher positiv geladen sind. Diese werden dann wiederum vom Terminal stark abgestoßen und weiter beschleunigt, so dass diese Teilchen letztendlich zwei mal die Potentialdifferenz durchlaufen.

Mit (Tandem-)VdG-Beschleunigern sind somit kontinuierliche Ladungsströme mit Strahlenergien von bis zu 30MeV möglich.

LinearbeschleunigerBearbeiten

Will man Strahlenergien im GeV-Bereich erzeugen, so muss man zu zeitlich veränderlichen Beschleunigungs-Feldern übergehen. EIn Linear-Beschleuniger benutzt eine große Zahl von aufeinander folgenden Leiterrohren (durch die der Teilchenstrahl fliegt), welche immer auf entgegengesetztem Potential sind. Innerhalb der Rohre ist das elektrische Feld verschwindend klein, so dass die Ladungen immer zwischen zwei Rohren beschleunigt werden. Man betreibt solche Beschleuniger mit fixen Frequenzen für die Wechselspannung, weshalb man die Rohrlänge geeignet variieren muss (mit zunehmender Strahlenergie immer größer werdend), damit die Umpolung der Rohrspannung zur richtigen Zeit erfolgt. Für Elektronen muss man dies nur auf einer sehr kurzen Strecke berücksichtigen, da sie sehr schnell auf annähernd c beschleunigt werden können. Für Protonen muss man dagegen auf einer sehr langen Strecke die Rohrlänge entsprechend variieren.

Einer der größten Linearbeschleuniger ist der SLAC in Stanford mit einer Gesamtlänge von 3km und 100.000 Rohrsegmenten. Er erreicht Strahlenergien (Elektronenstrahlen) von bis zu 50GeV.

SynchrotronBearbeiten

Die maximale Strahlenergie eines Linearbeschleunigers ist durch die Länge des Beschleunigungswegs beschränkt. Um dies zu umgehen, kann man den Strahl einfach mehrfach durch die gleiche Beschleunigungsstrecke leiten. Das Synchrotron ist ein solcher Kreisbeschleuniger, bei dem der Teilchenstrahl durch ein Magnetfeld auf einer Kreisbahn gehalten wird und immer wieder bestimmte Beschleunigungssegmente durchläuft welche natürlich mit der Umlauffrequenz synchronisiert werden müssen. Zusätzlich muss die Magnetfeldstärke kontinuierlich dem aktuellen Teilchenimpuls angepasst werden, damit die Kreisbahn eingehalten wird.


\omega_E = 2\pi n \nu_{\mbox{Umlauf}} = 2 \pi n {v \over 2 \pi R} = n{ c  \over R}\beta = n{ c \over R} {p \over E}

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