Teilchenbeschleuniger – Wikipedia

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Gerät um hohe Geschwindigkeiten zu stützen

Das Tevatron, ein Teilchenbeschleuniger vom Typ Synchrotron-Beschleuniger am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), Batavia, Illinois, USA. Im Jahr 2011 außer Betrieb genommen, war er bis 2007 der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt und beschleunigte Protonen auf eine Energie von über 1 TeV (Tera-Elektronenvolt). Strahlen zirkulierender Protonen in den beiden kreisförmigen Vakuumkammern in den beiden sichtbaren Ringen kollidierten an ihrem Schnittpunkt.

Animation, die den Betrieb eines Linearbeschleunigers zeigt, der sowohl in der Physikforschung als auch in der Krebsbehandlung weit verbreitet ist.

EIN Partikelbeschleuniger ist eine Maschine, die elektromagnetische Felder verwendet, um geladene Teilchen auf sehr hohe Geschwindigkeiten und Energien zu treiben und sie in wohldefinierten Strahlen einzuschließen.[1]

Große Beschleuniger dienen der Grundlagenforschung in der Teilchenphysik. 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 um einen Collider-Beschleuniger, der zwei Protonenstrahlen auf eine Energie von 6,5 TeV beschleunigen und frontal zur Kollision bringen kann, wodurch Schwerpunktenergien von 13 TeV entstehen. Andere leistungsstarke Beschleuniger sind RHIC am Brookhaven National Laboratory in New York und früher das Tevatron in Fermilab, Batavia, Illinois. Beschleuniger werden auch als Synchrotronlichtquellen für das Studium der Physik der kondensierten Materie verwendet. Kleinere Teilchenbeschleuniger werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Teilchentherapie für onkologische Zwecke, Radioisotopenproduktion für die medizinische Diagnostik, Ionenimplanter für die Herstellung von Halbleitern und Beschleuniger-Massenspektrometer für Messungen seltener Isotope wie Radiokohlenstoff. Derzeit sind weltweit mehr als 30.000 Beschleuniger in Betrieb.[2]

Es gibt zwei grundlegende Klassen von Beschleunigern: elektrostatische und elektrodynamische (oder elektromagnetische) Beschleuniger.[3]Elektrostatische Teilchenbeschleuniger Verwenden Sie statische elektrische Felder, um Partikel zu beschleunigen. Die gängigsten Typen sind der Cockcroft-Walton-Generator und der Van de Graaff-Generator. Ein kleines Beispiel dieser Klasse ist die Kathodenstrahlröhre in einem gewöhnlichen alten Fernsehgerät. Die erreichbare kinetische Energie für Partikel in diesen Geräten wird durch die Beschleunigungsspannung bestimmt, die durch elektrischen Durchbruch begrenzt wird. Elektrodynamik oder elektromagnetisch Beschleuniger hingegen verwenden sich ändernde elektromagnetische Felder (entweder magnetische Induktion oder oszillierende Hochfrequenzfelder), um Teilchen zu beschleunigen. Da bei diesen Typen die Teilchen das gleiche Beschleunigungsfeld mehrmals durchlaufen können, ist die abgegebene Energie nicht durch die Stärke des Beschleunigungsfeldes begrenzt. Diese in den 1920er Jahren erstmals entwickelte Klasse ist die Basis für die meisten modernen Großbeschleuniger.

Als Pioniere auf diesem Gebiet gelten Rolf Widerøe, Gustav Ising, Leó Szilárd, Max Steenbeck und Ernest Lawrence, die den ersten funktionsfähigen Linearteilchenbeschleuniger konzipierten und gebaut haben.[4] Betatron und Zyklotron.

Da das Ziel der Teilchenstrahlen früher Beschleuniger meist die Atome eines Materiestücks waren, mit dem Ziel, Kollisionen mit ihren Kernen zu erzeugen, um die Kernstruktur zu untersuchen, wurden Beschleuniger gemeinhin als bezeichnet Atomzerstörer im 20. Jahrhundert.[5] Der Begriff bleibt bestehen, obwohl viele moderne Beschleuniger Kollisionen zwischen zwei subatomaren Teilchen statt einem Teilchen und einem Atomkern erzeugen.[6][7][8]

Gebäude, das die 3,2 km lange Strahlröhre des Stanford Linear Accelerator (SLAC) in Menlo Park, Kalifornien, bedeckt, dem zweitstärksten Linac der Welt.

Strahlen hochenergetischer Teilchen sind nützlich für die Grundlagen- und angewandte Forschung in den Naturwissenschaften, aber auch in vielen technischen und industriellen Bereichen, die nichts mit der Grundlagenforschung zu tun haben.[9] Schätzungen zufolge gibt es weltweit etwa 30.000 Beschleuniger. Davon sind nur etwa 1 % Forschungsmaschinen 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 andere Niedrigenergieforschung bestimmt sind.[10]

Hochenergiephysik[edit]

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. Diese beinhalten typischerweise Teilchenenergien von vielen GeV und Wechselwirkungen einfachster Teilchenarten: Leptonen (zB Elektronen und Positronen) und Quarks für die Materie oder Photonen und Gluonen für die Feldquanten. Da isolierte Quarks aufgrund von Farbbeschränkung experimentell nicht verfügbar sind, beinhalten die einfachsten verfügbaren Experimente die Wechselwirkungen erstens von Leptonen untereinander und zweitens von Leptonen mit Nukleonen, die aus Quarks und Gluonen bestehen. Um die Kollisionen von Quarks miteinander zu untersuchen, greifen Wissenschaftler auf Kollisionen von Nukleonen zurück, die bei hoher Energie nützlicherweise als im Wesentlichen 2-Körper-Wechselwirkungen der Quarks und Gluonen angesehen werden können, aus denen sie bestehen. Diese Elementarteilchenphysiker neigen dazu, Maschinen zu verwenden, die Strahlen aus Elektronen, Positronen, Protonen und Antiprotonen erzeugen, die miteinander oder mit den einfachsten Kernen (zB Wasserstoff oder Deuterium) bei den höchstmöglichen Energien, im Allgemeinen Hunderte von GeV oder mehr, wechselwirken.

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Der größte und energiereichste Teilchenbeschleuniger für die Elementarteilchenphysik ist der Large Hadron Collider (LHC) am CERN, der seit 2009 in Betrieb ist.[11]

Kernphysik und Isotopenproduktion[edit]

Kernphysiker und Kosmologen können mit Strahlen nackter, von Elektronen befreiter Atomkerne die Struktur, Wechselwirkungen und Eigenschaften der Kerne selbst sowie von kondensierter Materie bei extrem hohen Temperaturen und Dichten untersuchen, wie sie in den ersten Momenten aufgetreten sein könnten des Urknalls. Bei diesen Untersuchungen handelt es sich oft um Kollisionen schwerer Kerne – von Atomen wie Eisen oder Gold – bei Energien von mehreren GeV pro Nukleon. Der größte Teilchenbeschleuniger dieser Art ist der Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) am Brookhaven National Laboratory.

Teilchenbeschleuniger können auch Protonenstrahlen erzeugen, die protonenreiche medizinische oder Forschungsisotope erzeugen können, im Gegensatz zu den neutronenreichen, die in Spaltreaktoren hergestellt werden; Jüngste Arbeiten haben jedoch gezeigt, wie man 99Mo, normalerweise in Reaktoren hergestellt, durch Beschleunigung von Wasserstoffisotopen,[12] obwohl dieses Verfahren immer noch einen Reaktor erfordert, um Tritium zu produzieren. Ein Beispiel für diesen Maschinentyp ist LANSCE in Los Alamos.

Synchrotronstrahlung[edit]

Elektronen, die sich durch ein Magnetfeld ausbreiten, emittieren über Synchrotronstrahlung sehr helle und kohärente Photonenstrahlen. Es hat zahlreiche Anwendungen im Studium der Atomstruktur, Chemie, Physik der kondensierten Materie, Biologie und Technologie. Weltweit existiert eine große Anzahl von Synchrotronlichtquellen. Beispiele in den USA sind SSRL beim SLAC National Accelerator Laboratory, APS beim Argonne National Laboratory, ALS beim Lawrence Berkeley National Laboratory und NSLS beim Brookhaven National Laboratory. In Europa gibt es MAX IV in Lund, Schweden, BESSY in Berlin, Deutschland, Diamond in Oxfordshire, Großbritannien, ESRF in Grenoble, Frankreich, letzteres wurde verwendet, um detaillierte dreidimensionale Bilder von in Bernstein gefangenen Insekten zu extrahieren.[13]

Freie-Elektronen-Laser (FELs) sind eine spezielle Klasse von Lichtquellen, die auf Synchrotronstrahlung basieren und kürzere Pulse mit höherer zeitlicher Kohärenz liefern. Ein speziell entwickelter FEL ist die brillanteste Röntgenquelle im beobachtbaren Universum.[14] Prominenteste Beispiele sind das LCLS in den USA und der European XFEL in Deutschland. Mehr Aufmerksamkeit wird auf weiche Röntgenlaser gelenkt, die zusammen mit der Pulsverkürzung neue Methoden für die Attosekundenwissenschaft eröffnen.[15] Neben Röntgenstrahlen werden FELs zur Emission von Terahertz-Licht verwendet, zB FELIX in Nijmegen, Niederlande, TELBE in Dresden, Deutschland und NovoFEL in Novosibirsk, Russland.

Daher besteht ein großer Bedarf an Elektronenbeschleunigern mit mittlerer (GeV) Energie, hoher Intensität und hoher Strahlqualität zum Antrieb von Lichtquellen.

Niedrigenergiegeräte und Partikeltherapie[edit]

Alltägliche Beispiele für Teilchenbeschleuniger sind Kathodenstrahlröhren in Fernsehgeräten und Röntgengeneratoren. Diese Niedrigenergiebeschleuniger verwenden ein einzelnes Elektrodenpaar mit einer Gleichspannung von einigen tausend Volt dazwischen. In einem Röntgengenerator ist das Target selbst eine der Elektroden. Ein niederenergetischer Teilchenbeschleuniger, genannt Ionenimplanter, wird bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen verwendet.

Bei niedrigeren Energien werden Strahlen beschleunigter Kerne auch in der Medizin als Partikeltherapie zur Behandlung von Krebs eingesetzt.

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Gleichstrombeschleuniger, die Teilchen auf Geschwindigkeiten beschleunigen können, die ausreichen, um Kernreaktionen zu verursachen, sind Cockcroft-Walton-Generatoren oder Spannungsvervielfacher, die Wechselstrom in Hochspannungs-Gleichstrom umwandeln, oder Van-de-Graaff-Generatoren, die von Riemen getragene statische Elektrizität verwenden.

Strahlensterilisation von Medizinprodukten[edit]

Zur Sterilisation wird üblicherweise die Elektronenstrahlbearbeitung verwendet. Elektronenstrahlen sind eine On-Off-Technologie, die eine viel höhere Dosisleistung bietet als Gamma- oder Röntgenstrahlen, die von Radioisotopen wie Kobalt-60 (60Co) oder Cäsium-137 (137Cs). Aufgrund der höheren Dosisleistung ist eine kürzere Expositionszeit erforderlich und der Polymerabbau wird reduziert. Da Elektronen eine Ladung tragen, sind Elektronenstrahlen weniger durchdringend als sowohl Gamma- als auch Röntgenstrahlen.[16]

Elektrostatische Teilchenbeschleuniger[edit]

Ein einstufiger 2 MeV linearer Van de Graaff-Beschleuniger aus den 1960er Jahren, hier zur Wartung geöffnet

In der Vergangenheit verwendeten die ersten Beschleuniger die einfache Technologie einer einzelnen statischen Hochspannung, um geladene Teilchen zu beschleunigen. Das geladene Teilchen wurde durch ein evakuiertes Rohr mit einer Elektrode an beiden Enden beschleunigt, wobei das statische Potential darüber lag. Da das Teilchen die Potentialdifferenz nur einmal durchquerte, war die abgegebene Energie auf die Beschleunigungsspannung der Maschine begrenzt. Obwohl diese Methode heute noch äußerst beliebt ist, da die Zahl der elektrostatischen Beschleuniger allen anderen Arten weit überlegen ist, eignen sie sich aufgrund der praktischen Spannungsgrenze von etwa 1 MV für luftisolierte Maschinen oder 30 MV für Studien mit geringerer Energie besser für Studien mit niedrigerem Energiebedarf wird in einem Tank mit Druckgas mit hoher Durchschlagsfestigkeit, wie beispielsweise Schwefelhexafluorid, betrieben. In einem Tandembeschleuniger das Potenzial wird zweimal verwendet, um die Teilchen zu beschleunigen, indem die Ladung der Teilchen umgekehrt wird, während sie sich im Inneren des Terminals befinden. Dies ist mit der Beschleunigung von Atomkernen möglich, indem Anionen (negativ geladene Ionen) verwendet werden und der Strahl dann durch eine dünne Folie geleitet wird, um Elektronen von den Anionen innerhalb des Hochspannungsanschlusses abzustreifen und sie in Kationen (positiv geladene Ionen) umzuwandeln werden beim Verlassen des Terminals wieder beschleunigt.

Die beiden Haupttypen von elektrostatischen Beschleunigern sind der Cockcroft-Walton-Beschleuniger, der einen Dioden-Kondensator-Spannungsvervielfacher verwendet, um Hochspannung zu erzeugen, und der Van-de-Graaff-Beschleuniger, der ein sich bewegendes Gewebeband verwendet, um Ladung an die Hochspannungselektrode zu transportieren. Obwohl elektrostatische Beschleuniger Teilchen entlang einer geraden Linie beschleunigen, wird der Begriff Linearbeschleuniger häufiger für Beschleuniger verwendet, die eher oszillierende als statische elektrische Felder verwenden.

Elektrodynamische (elektromagnetische) Teilchenbeschleuniger[edit]

Aufgrund der durch elektrische Entladungen auferlegten Hochspannungsobergrenze werden Techniken verwendet, die dynamische Felder statt statischer Felder beinhalten, um Teilchen auf höhere Energien zu beschleunigen. Elektrodynamische Beschleunigung kann durch einen von zwei Mechanismen entstehen: nicht resonante magnetische Induktion oder Resonanzkreise oder Hohlräume, die durch oszillierende HF-Felder angeregt werden.[17]

Elektrodynamische Beschleuniger können linear, mit geradlinig beschleunigenden Partikeln, oder kreisförmig, mit Magnetfeldern, um Partikel auf einer ungefähr kreisförmigen Umlaufbahn zu biegen.

Magnetische Induktionsbeschleuniger[edit]

Magnetische Induktionsbeschleuniger beschleunigen Teilchen durch Induktion von einem zunehmenden Magnetfeld, als ob die Teilchen die Sekundärwicklung in einem Transformator wären. Das zunehmende Magnetfeld erzeugt ein zirkulierendes elektrisches Feld, das so konfiguriert werden kann, dass es die Partikel beschleunigt. Induktionsbeschleuniger können entweder linear oder kreisförmig sein.

Lineare Induktionsbeschleuniger[edit]

Lineare Induktionsbeschleuniger verwenden ferritbelastete, nicht resonante Induktionshohlräume. 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 zwischen den beiden Scheiben angelegter Spannungsimpuls verursacht ein zunehmendes Magnetfeld, das induktiv Energie in den Strahl geladener Teilchen einkoppelt.[18]

Der Linearinduktionsbeschleuniger wurde in den 1960er Jahren von Christofilos erfunden.[19] Lineare Induktionsbeschleuniger sind in der Lage, sehr hohe Strahlströme (>1000 A) in einem einzigen kurzen Puls zu beschleunigen. Sie wurden verwendet, um Röntgenstrahlen für die Blitzradiographie (zB DARHT am LANL) zu erzeugen, und wurden als Teilcheninjektoren für die Fusion mit magnetischem Einschluss und als Treiber für Freie-Elektronen-Laser betrachtet.

Betatrons[edit]

Das Betatron ist ein kreisförmiger magnetischer Induktionsbeschleuniger, der 1940 von Donald Kerst zur Beschleunigung von Elektronen erfunden wurde. Das Konzept stammt letztlich vom norwegisch-deutschen Wissenschaftler Rolf Widerøe. Diese Maschinen verwenden wie Synchrotrons einen ringförmigen Ringmagneten (siehe unten) mit einem zyklisch ansteigenden B-Feld, beschleunigen die Teilchen jedoch durch Induktion aus dem zunehmenden Magnetfeld, als wären sie die Sekundärwicklung in einem Transformator, aufgrund der Änderung des magnetischen Flusses durch die Umlaufbahn.[20][21]

Um einen konstanten Bahnradius zu erreichen, während das richtige beschleunigende elektrische Feld bereitgestellt wird, muss der die Bahn verbindende Magnetfluss etwas 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[edit]

In einem linearen Teilchenbeschleuniger (Linac) werden Teilchen geradlinig mit einem interessierenden Ziel an einem Ende beschleunigt. Sie werden häufig verwendet, um Teilchen einen anfänglichen niederenergetischen Kick zu verleihen, bevor sie in Kreisbeschleuniger injiziert werden. Der längste Linac der Welt ist der Stanford Linear Accelerator, SLAC, der 3 km lang ist. SLAC ist ein Elektron-Positron-Beschleuniger.

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 Ladung entgegengesetzter Polarität auf die Platte hin beschleunigt. Beim Durchgang durch ein Loch in der Platte wird die Polarität umgeschaltet, so dass die Platte sie nun abstößt und sie nun von ihr zur nächsten Platte hin beschleunigt werden. Normalerweise wird ein Strom von “Bündeln” von Partikeln beschleunigt, so dass eine sorgfältig kontrollierte Wechselspannung an jede Platte angelegt wird, um diesen Vorgang für jedes Bündel kontinuierlich zu wiederholen.

Wenn sich die Teilchen der Lichtgeschwindigkeit nähern, wird die Schaltrate der elektrischen Felder so hoch, dass sie mit Radiofrequenzen arbeiten, und so werden Mikrowellenhohlräume in Maschinen mit höherer Energie anstelle einfacher Platten verwendet.

Linearbeschleuniger sind auch in der Medizin, in der Strahlentherapie und in der Radiochirurgie weit verbreitet. Linacs medizinischer Qualität beschleunigen Elektronen unter Verwendung eines Klystrons und einer komplexen Biegemagnetanordnung, die einen Strahl mit einer Energie von 6-30 MeV erzeugt. Die Elektronen können direkt verwendet werden oder sie können mit einem Target kollidiert werden, um einen Röntgenstrahl zu erzeugen. Die Zuverlässigkeit, Flexibilität und Genauigkeit des erzeugten Strahlenbündels hat die ältere Verwendung der Kobalt-60-Therapie als Behandlungsinstrument weitgehend verdrängt.

Kreisförmige oder zyklische HF-Beschleuniger[edit]

Im Kreisbeschleuniger bewegen sich Teilchen im Kreis, bis sie genügend Energie erreichen. Die Partikelspur wird typischerweise mit Elektromagneten zu einem Kreis gebogen. Der Vorteil von Kreisbeschleunigern gegenüber Linearbeschleunigern (linacs) besteht darin, dass die Ringtopologie eine kontinuierliche Beschleunigung ermöglicht, da das Teilchen unbegrenzt durchwandern kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein Kreisbeschleuniger kleiner ist als ein Linearbeschleuniger vergleichbarer Leistung (dh ein Linac müsste extrem lang sein, um die Leistung eines Kreisbeschleunigers zu haben).

Je nach Energie und beschleunigtem Teilchen haben Kreisbeschleuniger den Nachteil, dass die Teilchen Synchrotronstrahlung emittieren. Wenn ein geladenes Teilchen beschleunigt wird, emittiert es elektromagnetische Strahlung und sekundäre Emissionen. Da ein Teilchen, das sich auf einem Kreis bewegt, immer zum Kreismittelpunkt hin beschleunigt, strahlt es kontinuierlich zur Tangente des Kreises. Diese Strahlung wird Synchrotronlicht genannt und hängt stark von der Masse des beschleunigenden Teilchens ab. Aus diesem Grund sind viele Hochenergie-Elektronenbeschleuniger Linacs. Bestimmte Beschleuniger (Synchrotrons) sind jedoch speziell für die Erzeugung von Synchrotronlicht (Röntgenstrahlen) gebaut.

Da die spezielle Relativitätstheorie verlangt, dass sich Materie im Vakuum immer langsamer als die Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, nähert sich in Hochenergiebeschleunigern die Teilchengeschwindigkeit mit zunehmender Energie der Lichtgeschwindigkeit als Grenze an, erreicht sie aber nie. Teilchenphysiker denken daher im Allgemeinen nicht in Geschwindigkeiten, sondern eher in der Energie oder dem Impuls eines Teilchens, die normalerweise in Elektronenvolt (eV) gemessen wird. Ein wichtiges Prinzip für Kreisbeschleuniger und Teilchenstrahlen im Allgemeinen ist, dass die Krümmung der Teilchenbahn proportional zur Teilchenladung und zum Magnetfeld, aber umgekehrt proportional zum (typischerweise relativistischen) Impuls ist.

Zyklotrone[edit]

Die ersten betriebsfähigen Kreisbeschleuniger waren Zyklotrone, die 1929 von Ernest Lawrence an der University of California in Berkeley erfunden wurden. Zyklotrone haben ein einzelnes Paar hohler “D”-förmiger Platten, um die Teilchen zu beschleunigen, und einen einzigen großen Dipolmagneten, um ihren Weg in eine kreisförmige Umlaufbahn zu biegen. Es ist eine charakteristische Eigenschaft geladener Teilchen in einem gleichförmigen und konstanten Magnetfeld B, dass sie mit einer konstanten Periode umkreisen, mit einer Frequenz, die als Zyklotronfrequenz bezeichnet wird, solange ihre Geschwindigkeit im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit klein ist C. Dies bedeutet, dass die Beschleunigungs-Ds eines Zyklotrons mit einer konstanten Frequenz durch eine Hochfrequenz-(RF)-Beschleunigungsstromquelle angetrieben werden können, während sich der Strahl kontinuierlich nach außen spiralförmig nach außen bewegt. Die Partikel werden in die Mitte des Magneten eingespritzt und am äußeren Rand mit maximaler Energie abgesaugt.

Zyklotrone erreichen aufgrund relativistischer Effekte eine Energiegrenze, wodurch die Teilchen effektiv massiver werden, so dass ihre Zyklotronfrequenz nicht mehr synchron mit der beschleunigenden HF abfällt. Daher können einfache Zyklotrone Protonen nur auf eine Energie von etwa 15 Millionen Elektronenvolt (15 MeV, entsprechend einer Geschwindigkeit von etwa 10 % von .) beschleunigen C), da die Protonen mit dem treibenden elektrischen Feld außer Phase geraten. Bei weiterer Beschleunigung würde sich der Strahl weiter nach außen auf einen größeren Radius drehen, aber die Teilchen würden nicht mehr genug Geschwindigkeit gewinnen, um den größeren Kreis im Gleichschritt mit der beschleunigenden HF zu schließen. Um relativistischen Effekten Rechnung zu tragen, muss das Magnetfeld auf höhere Radien erhöht werden, wie dies bei isochronen Zyklotronen der Fall ist. Ein Beispiel für ein isochrones Zyklotron ist das PSI-Ringzyklotron 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 von derzeit 2,2 mA. Die Energie und der Strom entsprechen 1,3 MW Strahlleistung, was die höchste aller derzeit existierenden Beschleuniger ist.

Synchrozyklotrone und isochrone Zyklotrone[edit]

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

B{displaystyle B}

, sondern reduziert die Frequenz des Beschleunigungsfeldes, um die Teilchen bei ihrer Auswärtsspirale im Gleichschritt zu halten, was ihrer massenabhängigen Zyklotron-Resonanzfrequenz entspricht. Dieser Ansatz leidet an einer geringen durchschnittlichen Strahlintensität aufgrund der Bündelung und wiederum an der Notwendigkeit eines riesigen Magneten mit großem Radius und konstantem Feld über die größere Umlaufbahn, die durch 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 Zyklotronresonanzfrequenz) für alle Energien konstant gehalten, indem die Magnetpole so geformt werden, dass das Magnetfeld mit dem Radius vergrößert wird. Somit werden alle Teilchen in isochronen Zeitintervallen beschleunigt. Teilchen mit höherer Energie legen in jeder Umlaufbahn eine kürzere Strecke zurück als in einem klassischen Zyklotron und bleiben somit in Phase mit dem Beschleunigungsfeld. Der Vorteil des isochronen Zyklotrons besteht darin, dass es kontinuierliche Strahlen mit höherer durchschnittlicher Intensität liefern kann, was für einige Anwendungen nützlich ist. Die Hauptnachteile sind die Größe und die Kosten des benötigten großen Magneten und die Schwierigkeit, die am äußeren Rand der Struktur erforderlichen hohen Magnetfeldwerte zu erreichen.

Synchrozyklotrons wurden seit der Entwicklung des isochronen Zyklotrons nicht mehr gebaut.

Synchrotrons[edit]

Luftbild des Tevatron am Fermilab, das einer Acht ähnelt. Der Hauptbeschleuniger ist der Ring darüber; der untere (trotz des Anscheins etwa halber Durchmesser) dient zur vorläufigen Beschleunigung, Strahlkühlung und -speicherung usw.

Um noch höhere Energien zu erreichen, bei denen die relativistische Masse die Ruhemasse der Teilchen erreicht oder überschreitet (für Protonen Milliarden von Elektronenvolt oder GeV), ist die Verwendung eines Synchrotrons erforderlich. Dies ist ein Beschleuniger, in dem die Teilchen in einem Ring mit konstantem Radius beschleunigt werden. Ein unmittelbarer Vorteil gegenüber Zyklotronen besteht darin, dass das Magnetfeld nur über dem eigentlichen Bereich der Teilchenbahnen vorhanden sein muss, der viel schmaler ist als der des Rings. (Das größte in den USA gebaute Zyklotron hatte einen Magnetpol mit einem Durchmesser von 184 Zoll (4,7 m), während der Durchmesser von Synchrotrons wie dem LEP und LHC fast 10 km beträgt. Die Öffnung der beiden Strahlen des LHC beträgt Zentimeter.) Der LHC enthält 16 HF-Kavitäten, 1232 supraleitende Dipolmagnete zur Strahllenkung und 24 Quadrupole zur Strahlfokussierung.[22] Selbst bei dieser Größe ist der LHC durch seine Fähigkeit eingeschränkt, die Partikel zu lenken, ohne dass sie treiben. Diese Grenze tritt theoretisch bei 14 TeV auf.[23]

Da jedoch der Teilchenimpuls während der Beschleunigung zunimmt, ist es notwendig, das Magnetfeld B proportional zu erhöhen, um eine konstante Krümmung der Umlaufbahn aufrechtzuerhalten. Infolgedessen können Synchrotrons Teilchen nicht kontinuierlich beschleunigen, wie Zyklotrone dies können, sondern müssen zyklisch arbeiten und Teilchen in Bündeln liefern, die typischerweise alle paar Sekunden in Form von Strahlüberläufen an ein Ziel oder einen externen Strahl abgegeben werden.

Da hochenergetische Synchrotrons die meiste Arbeit an Teilchen verrichten, die sich bereits mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen C, ist die Zeit, um eine Umlaufbahn des Rings zu vollenden, nahezu konstant, ebenso wie die Frequenz der HF-Hohlraumresonatoren, die zum Antreiben der Beschleunigung verwendet werden.

Bei modernen Synchrotrons ist die Strahlapertur klein und das Magnetfeld deckt nicht den gesamten Bereich der Teilchenbahn ab wie bei einem Zyklotron, sodass mehrere notwendige Funktionen getrennt werden können. Anstelle eines riesigen Magneten hat man eine Reihe von Hunderten von Biegemagneten, die Vakuumverbindungsrohre umschließen (oder von ihnen umschlossen werden). Das Design von Synchrotrons wurde in den frühen 1950er Jahren mit der Entdeckung des Konzepts der starken Fokussierung revolutioniert.[24][25][26] Die Fokussierung des Strahls wird unabhängig von spezialisierten Quadrupolmagneten durchgeführt, während die Beschleunigung selbst in separaten HF-Abschnitten erfolgt, ähnlich wie bei kurzen Linearbeschleunigern.[27] Es besteht auch keine Notwendigkeit, dass zyklische Maschinen kreisförmig sein müssen, sondern das Strahlrohr kann gerade Abschnitte zwischen den Magneten haben, in denen die Strahlen kollidieren, gekühlt werden können usw. Dies hat sich zu einem ganz eigenen Thema entwickelt, das als “Strahlphysik” oder “Strahl” bezeichnet wird Optik”.[28]

Komplexere moderne Synchrotrons wie das Tevatron, LEP und LHC können die Teilchenpakete mit einem konstanten Magnetfeld in Speicherringe von Magneten liefern, wo sie für lange Zeiträume zu Experimenten oder zur weiteren Beschleunigung umkreisen können. Die energiereichsten Maschinen wie der Tevatron und der LHC sind eigentlich Beschleunigerkomplexe mit einer Kaskade spezialisierter Elemente in Reihe, darunter Linearbeschleuniger für die anfängliche Strahlerzeugung, ein oder mehrere niederenergetische Synchrotrons zum Erreichen mittlerer Energie, Speicherringe, in denen Strahlen akkumuliert oder “gekühlt” (verringert die erforderliche Magnetapertur und ermöglicht eine engere Fokussierung; siehe Strahlkühlung) und ein letzter großer Ring für die abschließende Beschleunigung und das Experimentieren.

Segment eines Elektronen-Synchrotrons bei DESY
Elektronen-Synchrotrons[edit]

Zirkuläre Elektronenbeschleuniger gerieten zu der Zeit, als der lineare Teilchenbeschleuniger des SLAC gebaut wurde, für die Teilchenphysik etwas in Ungnade, weil ihre Synchrotronverluste als wirtschaftlich unerschwinglich galten und ihre Strahlintensität geringer war als bei den ungepulsten Linearmaschinen. Das Ende der 1970er Jahre kostengünstig gebaute Cornell Electron Synchrotron war der erste in einer Reihe von hochenergetischen Kreiselektronenbeschleunigern, die für die grundlegende Teilchenphysik gebaut wurden, der letzte war der am CERN gebaute LEP, der von 1989 bis 2000 eingesetzt wurde.

Als Teil von Synchrotronlichtquellen, die ultraviolettes Licht und Röntgenstrahlen emittieren, wurde in den letzten zwei Jahrzehnten eine große Anzahl von Elektronen-Synchrotrons gebaut; siehe unten.

Aufbewahrungsringe[edit]

Für manche Anwendungen ist es sinnvoll, Strahlen hochenergetischer Teilchen über einige Zeit (mit moderner Hochvakuumtechnik bis zu vielen Stunden) ohne weitere Beschleunigung zu speichern. Dies gilt insbesondere für kollidierende Strahlbeschleuniger, bei denen zwei sich in entgegengesetzte Richtungen bewegende Strahlen mit einem großen Gewinn an effektiver Kollisionsenergie zur Kollision gebracht werden. Da bei jedem Durchgang durch den Schnittpunkt der beiden Strahlen relativ wenige Kollisionen auftreten, ist es üblich, die Strahlen zuerst auf die gewünschte Energie zu beschleunigen und sie dann in Speicherringen, die im Wesentlichen Synchrotronringe von Magneten sind, ohne signifikante HF . zu speichern Kraft zum Beschleunigen.

Synchrotronstrahlungsquellen[edit]

Einige Kreisbeschleuniger wurden gebaut, um absichtlich Strahlung (genannt Synchrotronlicht) als Röntgenstrahlung, auch Synchrotronstrahlung genannt, zu erzeugen, zum Beispiel 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 beispielsweise 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 am SPEAR von SLAC erforscht und entwickelt.

Alternierende Gradientenbeschleuniger mit festem Feld[edit]

Fixed-Field-Alternating-Gradient-Beschleuniger (FFA), bei denen ein zeitlich festes Magnetfeld mit radialer Variation zur Erzielung einer starken Fokussierung eine Beschleunigung des Strahls mit hoher Repetitionsrate aber in wesentlich geringerer radialer Streuung ermöglicht als im Zyklotronfall. Isochrone FFAs erreichen wie isochrone Zyklotrone einen kontinuierlichen Strahlbetrieb, jedoch ohne die Notwendigkeit eines riesigen Dipol-Biegemagneten, der den gesamten Radius der Umlaufbahnen abdeckt. Einige neue Entwicklungen bei FFAs werden behandelt.[29]

Geschichte[edit]

Das erste Zyklotron von Ernest Lawrence hatte einen Durchmesser von nur 100 mm. Später, 1939, baute er eine Maschine mit einer Polfläche von 60 Zoll Durchmesser und plante 1942 eine mit 184 Zoll Durchmesser, die jedoch für Arbeiten im Zusammenhang mit dem Zweiten Weltkrieg im Zusammenhang mit der Uranisotopentrennung übernommen wurde; nach dem krieg war es noch viele jahre im dienst für forschung und medizin.

Das erste große Protonen-Synchrotron war das Cosmotron am Brookhaven National Laboratory, das Protonen auf etwa 3 GeV beschleunigte (1953–1968). Das 1954 fertiggestellte Bevatron in Berkeley wurde speziell entwickelt, um Protonen auf eine ausreichende Energie zu beschleunigen, um Antiprotonen zu erzeugen, und die Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie der Natur zu überprüfen, die damals nur theoretisiert wurde. Das Alternating Gradient Synchrotron (AGS) in Brookhaven (1960–) war das erste große Synchrotron mit „stark fokussierenden“ Magneten mit alternierenden Gradienten, das die erforderliche Apertur des Strahls und entsprechend die Größe und Kosten der Biegemagnete stark reduzierte. Das Proton Synchrotron, gebaut am CERN (1959–), war der erste große europäische Teilchenbeschleuniger und im Allgemeinen ähnlich 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 und von Hunderten von großen Klystrons angetrieben wurde. Es ist immer noch der größte existierende Linearbeschleuniger und wurde mit Speicherringen und einer Elektron-Positron-Beschleunigeranlage aufgerüstet. Es ist auch eine Röntgen- und UV-Synchrotron-Photonenquelle.

Das Fermilab Tevatron hat einen Ring mit einem Strahlengang von 4 Meilen (6,4 km). Er erhielt mehrere Upgrades und fungierte als Proton-Antiproton-Beschleuniger, bis er 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-Beschleuniger. Er erreichte eine Energie von 209 GeV, bevor er im Jahr 2000 demontiert wurde, um den Tunnel für den Large Hadron Collider (LHC) nutzen zu können. Der LHC ist ein Protonenbeschleuniger und derzeit der weltweit größte und energiereichste Beschleuniger mit einer Energie von 6,5 TeV pro Strahl (insgesamt 13 TeV).

Der abgebrochene Superconductor Super Collider (SSC) in Texas hätte einen Umfang von 87 km gehabt. Der Bau wurde 1991 begonnen, aber 1993 eingestellt. Sehr große Kreisbeschleuniger werden ausnahmslos in Tunneln mit einer Breite von wenigen Metern gebaut, um die Unterbrechung und die Kosten für den Bau einer solchen Struktur an der Oberfläche zu minimieren und um eine Abschirmung gegen die auftretenden intensiven Sekundärstrahlungen zu bieten. die bei hohen Energien extrem durchdringend sind.

Aktuelle Beschleuniger wie die Spallations-Neutronenquelle enthalten supraleitende Kryomodule. Der Relativistic Heavy Ion Collider und der Large Hadron Collider verwenden ebenfalls supraleitende Magnete und HF-Hohlraumresonatoren, um Teilchen zu beschleunigen.

Ziele[edit]

Die Leistung eines Teilchenbeschleunigers kann im Allgemeinen mittels eines abweichenden Elektromagneten auf mehrere Versuchsreihen nacheinander gerichtet werden. Dadurch ist es möglich, mehrere Experimente durchzuführen, ohne dass Dinge bewegt oder 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.

Dies ist normalerweise ein festes Ziel, wie beispielsweise die Phosphorbeschichtung auf der Rückseite des Bildschirms im Fall einer Fernsehröhre; ein Stück Uran in einem als Neutronenquelle ausgelegten Beschleuniger; oder ein Wolfram-Target für einen Röntgengenerator. Bei einem Linac wird das Ziel einfach am Ende des Beschleunigers angebracht. Die Teilchenspur in einem Zyklotron ist vom Zentrum der Kreismaschine spiralförmig nach außen, sodass die beschleunigten Teilchen wie bei einem Linearbeschleuniger aus einem Fixpunkt austreten.

Bei Synchrotrons ist die Situation komplexer. Teilchen werden auf die gewünschte Energie beschleunigt. Dann wird ein schnell wirkender Dipolmagnet verwendet, um die Teilchen aus der kreisförmigen Synchrotronröhre und in Richtung des Targets zu schalten.

Eine in der Teilchenphysikforschung häufig verwendete Variante ist ein Collider, auch a . genannt Speicherringbeschleuniger. Zwei kreisförmige Synchrotrons werden in unmittelbarer Nähe gebaut – meist übereinander und mit den gleichen Magneten (die dann komplizierter konstruiert sind, um beide Strahlrohre aufzunehmen). Um die beiden Beschleuniger herum wandern Teilchenbündel in entgegengesetzte Richtungen und kollidieren an den Schnittpunkten zwischen ihnen. Dadurch kann die Energie enorm gesteigert werden; während bei einem Experiment mit festem Ziel die verfügbare Energie zur Erzeugung neuer Teilchen proportional zur Quadratwurzel der Strahlenergie ist, ist die verfügbare Energie bei einem Collider linear.

Detektoren[edit]

Höhere Energien[edit]

Ein Livingston-Diagramm, das den Fortschritt der Kollisionsenergie bis 2010 darstellt. Der LHC ist die bisher größte Kollisionsenergie, stellt aber auch den ersten Bruch im log-linearen Trend dar.

Derzeit sind die energiereichsten Beschleuniger alle Kreisbeschleuniger, aber sowohl Hadronenbeschleuniger als auch Elektronenbeschleuniger stoßen an ihre Grenzen. Hadronen- und ionenzyklische Beschleuniger mit höherer Energie erfordern aufgrund der erhöhten Strahlsteifigkeit Beschleunigertunnel größerer physikalischer Größe.

Bei zyklischen Elektronenbeschleunigern wird der praktische Krümmungsradius durch Synchrotronstrahlungsverluste begrenzt, und die nächste Generation wird wahrscheinlich Linearbeschleuniger sein, die das Zehnfache der gegenwärtigen Länge betragen. Ein Beispiel für einen solchen Elektronenbeschleuniger der nächsten Generation ist der vorgeschlagene 40 km lange International Linear Collider.

Es wird angenommen, dass die Plasma-Wakefield-Beschleunigung in Form von Elektronenstrahl-“Nachbrennern” und eigenständigen Laserpulsern in der Lage sein könnte, innerhalb von zwei bis drei Jahrzehnten die Effizienz gegenüber HF-Beschleunigern dramatisch zu steigern. Bei Plasma-Wakefield-Beschleunigern wird die Strahlkavität mit einem Plasma (anstelle von Vakuum) gefüllt. Ein kurzer Elektronen- oder Laserlichtpuls bildet entweder die Teilchen, die beschleunigt werden, oder geht ihnen unmittelbar voraus. Der Puls unterbricht das Plasma, wodurch sich die geladenen Teilchen im Plasma in das beschleunigte Teilchenbündel integrieren und sich nach hinten bewegen. Dieser Prozess überträgt Energie auf das Teilchenpaket, beschleunigt es weiter und dauert an, solange der Puls kohärent ist.[30]

Mit Laserpulsern wurden Energiegradienten von bis zu 200 GeV/m über Entfernungen im Millimeterbereich erreicht[31] und Gradienten nahe 1 GeV/m werden mit Elektronenstrahlsystemen im Multi-Zentimeter-Maßstab erzeugt, während die Hochfrequenzbeschleunigung allein eine Grenze von etwa 0,1 GeV/m hat. Bestehende Elektronenbeschleuniger wie SLAC könnten Elektronenstrahl-Nachbrenner verwenden, um die Energie ihrer Teilchenstrahlen auf Kosten der Strahlintensität stark zu erhöhen. Elektronensysteme können im Allgemeinen eng kollimierte, zuverlässige Strahlen liefern; Lasersysteme können mehr Leistung und Kompaktheit bieten. So könnten Plasma-Wakefield-Beschleuniger – sofern technische Probleme lösbar sind – sowohl die maximale Energie der größten Beschleuniger erhöhen als auch hohe Energien in universitäre Labore und medizinische Zentren bringen.

Mit einem dielektrischen Laserbeschleuniger wurden Gradienten von mehr als 0,25 GeV/m erreicht.[32] die einen weiteren praktikablen Ansatz für den Bau kompakter Hochenergiebeschleuniger darstellen könnte.[33] Unter Verwendung von Femtosekunden-Laserpulsen wurde ein Elektronenbeschleunigungsgradient von 0,69 Gev/m für dielektrische Laserbeschleuniger aufgezeichnet.[34] Nach weiteren Optimierungen werden höhere Gradienten in der Größenordnung von 1 bis 6 GeV/m erwartet.[35]

Produktion von Schwarzen Löchern und Bedenken hinsichtlich der öffentlichen Sicherheit[edit]

In Zukunft könnte die Möglichkeit einer Schwarzen-Loch-Produktion an den Hochenergie-Beschleunigern entstehen, wenn bestimmte Vorhersagen der Superstring-Theorie richtig sind.[36][37] Diese und andere Möglichkeiten haben zu Bedenken hinsichtlich der öffentlichen Sicherheit geführt, über die im Zusammenhang mit dem 2008 in Betrieb genommenen LHC viel berichtet wurde. Die verschiedenen möglichen Gefahrenszenarien wurden in der neuesten Risikobewertung der LHC-Sicherheitsbewertungsgruppe.[38] Wenn Schwarze Löcher produziert werden, wird theoretisch vorhergesagt, dass solche kleinen Schwarzen Löcher durch Bekenstein-Hawking-Strahlung extrem schnell verdampfen, was jedoch experimentell noch nicht bestätigt ist. Wenn Collider Schwarze Löcher erzeugen können, müssen sie seit Äonen von kosmischer Strahlung (und insbesondere von ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung, UHECRs) erzeugt worden sein, aber sie haben noch niemandem geschadet.[39] Es wurde argumentiert, dass zur Erhaltung von Energie und Impuls alle Schwarzen Löcher, die bei einer Kollision zwischen einem UHECR und lokaler Materie entstehen, notwendigerweise mit relativistischer Geschwindigkeit in Bezug auf die Erde erzeugt werden und in den Weltraum entweichen sollten, da ihre Akkretions- und Wachstumsrate sollte sehr langsam sein, während schwarze Löcher, die in Collidern (mit Komponenten gleicher Masse) erzeugt werden, eine gewisse Wahrscheinlichkeit haben, eine Geschwindigkeit zu haben, die geringer ist als die Fluchtgeschwindigkeit der Erde, 11,2 km pro Sekunde, und dazu neigen, einzufangen und anschließend zu wachsen. Aber selbst in solchen Szenarien würden die Kollisionen von UHECRs mit Weißen Zwergen und Neutronensternen zu ihrer schnellen Zerstörung führen, aber diese Körper werden als gewöhnliche astronomische Objekte beobachtet. Wenn also stabile Mikroschwarze Löcher erzeugt werden sollen, müssen sie viel zu langsam wachsen, um innerhalb der natürlichen Lebensdauer des Sonnensystems irgendwelche merklichen makroskopischen Effekte zu verursachen.[38]

Beschleuniger-Operator[edit]

Der Einsatz fortschrittlicher Technologien wie Supraleitung, Kryotechnik und Hochleistungs-Hochfrequenzverstärker sowie das Vorhandensein ionisierender Strahlung stellen den sicheren Betrieb von Beschleunigeranlagen vor Herausforderungen.[40][41] Ein Beschleuniger-Bediener steuert den Betrieb eines Teilchenbeschleunigers, passt Betriebsparameter wie Seitenverhältnis, Stromstärke und Position auf dem Ziel an. Sie kommunizieren mit dem Wartungspersonal des Gaspedals und unterstützen es, um die Bereitschaft von Unterstützungssystemen wie Vakuum, Magneten, Magnet- und Hochfrequenzstromversorgungen und -steuerungen sowie Kühlsystemen sicherzustellen. Außerdem führt der Beschleunigerbediener eine Aufzeichnung von beschleunigerbezogenen Ereignissen.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

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Externe Links[edit]


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