Teilchenbeschleuniger

Teilchenbeschleuniger

Gliederung

1. Allgemeine Info

2. Wirkungsweise

3. Arten von Teilchenbeschleunigern
3.1.Linearbeschleuniger
3.2.Zyklotron/ Ringbeschleuniger
3.3.Betatron
3.4.Synchrotron
3.5.Speicherring-Collider
3.6.Van-de-Graaff-Beschleuniger

4. Anwendung

5. Bibliographie

1. Allgemeine Info

- von geladenen

Elementarteilchen oder Ionen auf hohe physikalisch-technische Großanlagen zum BeschleunigenEnergien und Geschwindigkeiten

- zählen zu den größten und teuersten in der Physik verwendeten Vorrichtungen, mit denen man Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten bringt

- bestehen im Wesentlichen aus drei Teilen:

I. Quelle zur Freisetzung von Elementarteilchen oder Ionen

II. weitgehend evakuierte röhrenförmige Bahn, in der sich Teilchen frei bewegen können

III. Einheit zum Beschleunigen der Teilchen

1. TB üblicherweise mit anderen Geräten (z.B. Teilchendetektoren) gekoppelt

2. heute werden Energien bis zu ca. 1 TeV erreicht (12)

2. Wirkungsweise

- Protonen/ Elektronen/ Ionen werden durch Magnet-/Elektrische Felder in einer Röhre mit Ultrahochvakuum beschleunig

- Bündelung des Teilchenstrahls durch Quadrupole

- Beschuss des Ziels/ Zusammenstoßen von Teilchen (Collider)

- Nachweis der bei dem Zusammenstoß entstandenen Teilchen mit hochempfindlichen Detektoren

- Geschwindigkeit der Teilchen wird in allen TB durch Lichtgeschwindigkeit

begrenzt; nach Relativitätstheorie wäre bei Lichtgeschwindigkeit Energie unendlich groß

3. Arten von Teilchenbeschleunigern

3.1. Linearbeschleuniger

- Ende der 20er Jahre konzipiert

- Beschleunigung von Teilchen m.H. von Wechselspannungen auf einer geraden Bahn (für niedrige Energien elektrostatische Felder; für höhere Energien hochfrequente elektrische Wechselfelder (HF-Linearbeschleuniger)) · Teilchen passieren beim Durchgang durch Beschleuniger mehrere Elektroden (stehen hintereinander)

- Frequenz der Wechselspannung wird so gewählt, dass Teilchen immer dann nach vorn beschleunigt wird, wenn es Lücke zwischen zwei Elektroden passiert

- Linearbeschleuniger können theoretisch für jede beliebige Energie gebaut werden

3.2. Zyklotron

- 1939 vom amerikanischen Physiker Ernest O. Lawrence entwickelt

- Ringförmiger Teilchenbeschleuniger

- Enthält großen Magneten, die Teilchen auf der gekrümmten Bahn halten

- Besteht im Wesentlichen aus normalen TB-Teilen + zwei Elektroden (D-förmig Dees( D); Duanten), die mit den Kanten der Ds fast aneinanderliegen

- Jedes Mal, wenn die Teilchen die Lücken zwischen den D’s passieren, werden sie beschleunigt

- Am Anfang kamen Beschleunigungsstöße zu früh oder zu spät 1945 Entwicklung des Synchrozyklotrons vom russischen Physiker Wladimir I. Weksler und dem amerikanischen Physiker Edwin M. McMillan

- Durch Zunahme der Energie (Teilchen wird schneller) beschreibt Teilchen spiralenähnliche Bahn

3.3. Betatron

- Bei Beschleunigung von Elektronen steigt deren Masse schon bei relativ geringen Energien merklich an: bei einer Energie von einem MeV hat ein Elektron eine dreimal so hohe Masse wie ein ruhendes Elektron Synchrzyklotrone sind für solche Massezunahmen nicht geeignet Entwicklung von anderem Beschleunigertyp für Elektronen: Betatron

- Enthält Vakuumkammer, die aus zwei Hälften einer abgaflachten Kugel zusammengesetzt ist und sich zwischen den Polen eines Magneten befindet

- Elektronen werden durch sog. „Führungsfeld“ (Magnetfeld) auf Bahn gehalten · Elektronen werden durch die Kräfte beschleunigt, die von den Änderungen des magnetischen Flusses entlang der Kreisbahn herrühren

3.4. Synchrotron

- Teilchen werden schon vor Eintritt in den Kreisring auf Energien von einigen Millionen eV gebracht

- Teilchen werden auf Kreisbahn weiter beschleunigt und treten dann mit über einem GeV aus Kreisring aus

- Verstärkung des Energiefeldes durch höhere Geschwindigkeit und somit größere Kreisbahn

3.5. Speicherring-Collider · Kollisionsmaschine

- Teilchen prallen mit höheren Energien aufeinander

- zwei Gruppen von Teilchen werden beschleunigt und in den Speicherring oder in die Speicherringe geführt

- stoßen dann beim Experiment frontal aufeinander

- haben Teilchen unterschiedliche Ladungen, können sie in einem Speicherring gespeichert werden (beschreiben entgegengesetzte Kreisbahnen) · haben Teilchen gleiche Ladungen, werden sie in unterschiedlichen Ringen gespeichert und dann in gemeinsamen Ring gestoßen

- Bsp.: HERA (Hadron-Elektron-Ring-Anlage): Protonen mit einer Strahlenenergie von 800 GeV können erzeugt werden

3.6. Van-De-Graaff-Beschleuniger

- Band aus isoliertem Material transportiert Ladungen, die aus einer Elektrode abgeleitet werden, zu einer leitenden Hohlkugel

- Aufgeladene Hohlkugel gibt ihre Ladung an Elektroden des Teilchenbeschleunigers ab

- Dann gleiches Prinzip wie Linearbeschleuniger

4. Anwendung

- Medizin (Röntgenverfahren; Bekämpfung von Geschwüren, Tumoren, Krebsgeschwüren, ...)

- Kernphysikalische Experimente (Untersuchung von Atomkernen und den Teilchen, die den Atomkern aufbauen)

- Fernseher (Braunsche Röhre) · Fusionsforschung

5. Bibliografie

- Microsoft Encarta Enzyklopädie 2000 Plus · Brockhaus Multimedial 2000 premium · Hausaufgaben.de

- Ausarbeitung zum Thema "Teilchenbeschleuniger" von Robert Vater · TU München

- Forschungszentrum Karlsruhe (www.fzk.de) · Universität Erlangen (www.uni-erlangen.de)