Teilchenbeschleuniger -Particle accelerator

Das Tevatron (Hintergrundkreis) , ein Teilchenbeschleuniger vom Typ Synchrotron Collider am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), Batavia, Illinois, USA. 2011 stillgelegt, war er bis 2007 der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt und beschleunigte Protonen auf eine Energie von über 1  TeV (Teraelektronenvolt). Strahlen von Protonen und Antiprotonen, die in der einzigen Vakuumkammer des Rings in entgegengesetzten Richtungen zirkulierten, kollidierten an zwei magnetisch induzierten Schnittpunkten.
Animation, die den Betrieb eines Linearbeschleunigers zeigt , der sowohl in der Physikforschung als auch in der Krebsbehandlung weit verbreitet ist.

Ein Teilchenbeschleuniger ist eine Maschine, die elektromagnetische Felder verwendet , um geladene Teilchen auf sehr hohe Geschwindigkeiten und Energien zu beschleunigen und sie in wohldefinierten Strahlen zu halten .

Große Beschleuniger dienen der Grundlagenforschung in der Teilchenphysik . Der größte derzeit in Betrieb befindliche Beschleuniger ist der vom CERN betriebene Large Hadron Collider (LHC) in der Nähe von Genf in der Schweiz . Es ist ein Collider -Beschleuniger, der zwei Protonenstrahlen auf eine Energie von 6,5  TeV beschleunigen und sie frontal kollidieren lassen kann, wodurch Schwerpunktsenergien von 13 TeV erzeugt werden. Andere leistungsstarke Beschleuniger sind RHIC im Brookhaven National Laboratory in New York und früher Tevatron im Fermilab , Batavia, Illinois. Beschleuniger werden auch als Synchrotron-Lichtquellen 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, 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 verwenden statische elektrische Felder , um Teilchen zu beschleunigen. Die gebräuchlichsten 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 Teilchen in diesen Geräten wird durch die Beschleunigungsspannung bestimmt , die durch elektrischen Durchschlag begrenzt wird . Elektrodynamische oder elektromagnetische Beschleuniger hingegen verwenden sich ändernde elektromagnetische Felder (entweder magnetische Induktion oder oszillierende Hochfrequenzfelder ), um Teilchen zu beschleunigen. Da bei diesen Typen die Teilchen dasselbe Beschleunigungsfeld mehrmals passieren können, ist die Ausgangsenergie nicht durch die Stärke des Beschleunigungsfeldes begrenzt. Diese Klasse, die erstmals in den 1920er Jahren entwickelt wurde, ist die Basis für die meisten modernen Großbeschleuniger.

Rolf Widerøe , Gustav Ising , Leó Szilárd , Max Steenbeck und Ernest Lawrence gelten als Pioniere auf diesem Gebiet, da sie den ersten funktionsfähigen linearen Teilchenbeschleuniger , das Betatron , und das Zyklotron konzipiert und gebaut haben .

Da das Ziel der Teilchenstrahlen früher Beschleuniger in der Regel die Atome eines Materiestücks waren, mit dem Ziel, Kollisionen mit ihren Kernen zu erzeugen, um die Kernstruktur zu untersuchen, wurden Beschleuniger im 20. Jahrhundert allgemein als Atomzertrümmerer bezeichnet. Der Begriff bleibt trotz der Tatsache bestehen, dass viele moderne Beschleuniger Kollisionen zwischen zwei subatomaren Teilchen und nicht zwischen einem Teilchen und einem Atomkern erzeugen.

Verwendet

Beamlines , die vom Van-de-Graaff-Beschleuniger zu verschiedenen Experimenten im Untergeschoss des Jussieu-Campus in Paris führen .
Gebäude, das das 2 Meilen (3,2 km) lange Strahlrohr des Stanford Linear Accelerator (SLAC) in Menlo Park, Kalifornien, dem zweitstärksten Linearbeschleuniger der Welt, bedeckt.

Strahlen hochenergetischer Teilchen sind nützlich für die Grundlagenforschung und angewandte Forschung in den Naturwissenschaften und auch in vielen technischen und industriellen Bereichen, die nichts mit der Grundlagenforschung zu tun haben. 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.

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 typischerweise 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 der Farbbeschränkung experimentell nicht verfügbar sind , beinhalten die einfachsten verfügbaren Experimente die Wechselwirkungen von erstens 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 sinnvollerweise als im Wesentlichen 2-Körper-Wechselwirkungen der Quarks und Gluonen betrachtet 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 (z. B. Wasserstoff oder Deuterium ) bei den höchstmöglichen Energien interagieren, im Allgemeinen Hunderte von GeV oder mehr.

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

Nuklearphysiker und Kosmologen können Strahlen nackter Atomkerne ohne Elektronen verwenden, um die Struktur, Wechselwirkungen und Eigenschaften der Kerne selbst und der kondensierten Materie bei extrem hohen Temperaturen und Dichten zu untersuchen, wie sie in den ersten Augenblicken 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 derartige Teilchenbeschleuniger ist der Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) am Brookhaven National Laboratory .

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

Synchrotronstrahlung

Elektronen , die sich durch ein Magnetfeld ausbreiten, senden über Synchrotronstrahlung sehr helle und kohärente Photonenstrahlen aus . Es hat zahlreiche Anwendungen in der Untersuchung der Atomstruktur, Chemie, Physik der kondensierten Materie, Biologie und Technologie. Weltweit gibt es eine Vielzahl von Synchrotron-Lichtquellen . 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, Großbritannien, ESRF in Grenoble , Frankreich, letzteres wurde verwendet, um detaillierte dreidimensionale Bilder von Insekten zu extrahieren, die in Bernstein gefangen sind.

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. Die prominentesten 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 Attosekundenforschung eröffnen . Abgesehen von Röntgenstrahlen werden FELs verwendet, um Terahertzlicht zu emittieren , zB FELIX in Nijmegen, Niederlande, TELBE in Dresden, Deutschland und NovoFEL in Nowosibirsk, Russland.

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

Niedrigenergiemaschinen und Partikeltherapie

Alltägliche Beispiele für Teilchenbeschleuniger sind Kathodenstrahlröhren in Fernsehgeräten und Röntgengeneratoren . Diese Niedrigenergiebeschleuniger verwenden ein einzelnes Elektrodenpaar mit einer Gleichspannung von einigen tausend Volt zwischen ihnen. In einem Röntgengenerator ist das Target selbst eine der Elektroden. Bei der Herstellung integrierter Schaltkreise wird ein Niederenergie-Teilchenbeschleuniger, der als Ionenimplantierer bezeichnet wird, verwendet .

Bei niedrigeren Energien werden Strahlen aus beschleunigten Kernen auch in der Medizin als Teilchentherapie zur Behandlung von Krebs eingesetzt.

DC-Beschleunigertypen, die Partikel auf Geschwindigkeiten beschleunigen können, die ausreichen, um Kernreaktionen hervorzurufen, sind Cockcroft-Walton-Generatoren oder Spannungsvervielfacher , die Wechselstrom in Hochspannungsgleichstrom umwandeln, oder Van-de-Graaff-Generatoren , die statische Elektrizität verwenden, die von Riemen getragen wird.

Strahlensterilisation von Medizinprodukten

Die Elektronenstrahlbehandlung wird üblicherweise zur Sterilisation verwendet. Elektronenstrahlen sind eine Ein-Aus-Technologie, die eine viel höhere Dosisleistung liefert als Gamma- oder Röntgenstrahlen, die von Radioisotopen wie Kobalt-60 ( 60 Co) oder Cäsium-137 ( 137 Cs) emittiert werden. Aufgrund der höheren Dosisleistung ist eine geringere Expositionszeit erforderlich und der Polymerabbau wird reduziert. Da Elektronen eine Ladung tragen, sind Elektronenstrahlen weniger durchdringend als Gamma- und Röntgenstrahlen.

Elektrostatische Teilchenbeschleuniger

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

Historisch gesehen verwendeten die ersten Beschleuniger die einfache Technologie einer einzelnen statischen Hochspannung, um geladene Teilchen zu beschleunigen. Das geladene Teilchen wurde durch eine evakuierte Röhre mit einer Elektrode an jedem Ende beschleunigt, mit dem statischen Potential darüber. Da das Teilchen die Potentialdifferenz nur einmal passierte, war die abgegebene Energie auf die Beschleunigungsspannung der Maschine begrenzt. Obwohl diese Methode auch heute noch sehr beliebt ist, da die elektrostatischen Beschleuniger allen anderen Typen weit überlegen sind, eignen sie sich aufgrund der praktischen Spannungsgrenze von etwa 1 MV für luftisolierte Maschinen oder 30 MV beim Beschleuniger eher für Studien mit niedrigerer Energie wird in einem Behälter mit Druckgas mit hoher Durchschlagsfestigkeit , zB Schwefelhexafluorid , betrieben . In einem Tandembeschleuniger wird das Potential zweimal genutzt, um die Teilchen zu beschleunigen, indem die Ladung der Teilchen umgekehrt wird, während sie sich im Terminal befinden. Dies ist möglich, indem Atomkerne beschleunigt werden , indem Anionen (negativ geladene Ionen ) verwendet werden und der Strahl dann durch eine dünne Folie geführt wird, um Elektronen von den Anionen innerhalb des Hochspannungsanschlusses abzustreifen und sie in Kationen (positiv geladene Ionen) umzuwandeln beim Verlassen des Terminals wieder beschleunigt werden.

Die zwei 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 Stoffband verwendet, um Ladung zur 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

Aufgrund der durch elektrische Entladung auferlegten Hochspannungsobergrenze werden zur Beschleunigung von Teilchen auf höhere Energien Techniken verwendet, die eher dynamische Felder als statische Felder beinhalten. Elektrodynamische Beschleunigung kann durch einen von zwei Mechanismen entstehen: nicht resonante magnetische Induktion oder Resonanzkreise oder Hohlräume , die durch oszillierende HF - Felder angeregt werden. Elektrodynamische Beschleuniger können linear sein , wobei Partikel in einer geraden Linie beschleunigt werden, oder kreisförmig , wobei Magnetfelder verwendet werden, um Partikel in eine ungefähr kreisförmige Umlaufbahn zu biegen.

Beschleuniger mit magnetischer Induktion

Magnetinduktionsbeschleuniger beschleunigen Partikel durch Induktion von einem zunehmenden Magnetfeld, als ob die Partikel 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

Beschleuniger mit linearer Induktion verwenden ferritbeladene, nicht resonante Induktionshohlräume. Jeder Hohlraum kann als zwei große scheibenförmige Scheiben betrachtet werden, die durch ein äußeres zylindrisches Rohr verbunden sind. Zwischen den Scheiben befindet sich ein Ferrit-Toroid. Ein zwischen den beiden Scheiben angelegter Spannungsimpuls bewirkt ein zunehmendes Magnetfeld, das induktiv Energie in den Strahl geladener Teilchen 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 verwendet, um Röntgenstrahlen für die Flash-Radiographie zu erzeugen (z. B. DARHT bei LANL ) und wurden als Partikelinjektoren für die magnetische Einschlussfusion und als Treiber für Freie-Elektronen-Laser betrachtet .

Betatrons

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, ähnlich wie Synchrotrons, einen Donut-förmigen Ringmagneten (siehe unten) mit einem zyklisch ansteigenden B-Feld, beschleunigen aber die Teilchen durch Induktion aus dem ansteigenden Magnetfeld, als ob sie die Sekundärwicklung in einem Transformator wären Änderung des magnetischen Flusses durch die Umlaufbahn.

Das Erreichen eines konstanten Orbitalradius bei gleichzeitiger Bereitstellung des richtigen beschleunigenden elektrischen Felds erfordert, dass der die Umlaufbahn verbindende Magnetfluss etwas unabhängig von dem Magnetfeld auf der Umlaufbahn ist, wodurch die Partikel in eine Kurve mit konstantem Radius gebogen werden. Diese Maschinen sind in der Praxis durch die großen Strahlungsverluste begrenzt, denen die Elektronen ausgesetzt sind, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf einer Umlaufbahn mit relativ kleinem Radius bewegen.

Linearbeschleuniger

Moderne supraleitende Hochfrequenz- , mehrzellige Linearbeschleunigerkomponente.

In einem linearen Teilchenbeschleuniger (LINAC) werden Teilchen in einer geraden Linie mit einem interessierenden Ziel an einem Ende beschleunigt. Sie werden oft verwendet, um Teilchen einen anfänglichen niederenergetischen Kick zu geben, bevor sie in Kreisbeschleuniger eingeschossen werden. Der längste Linearbeschleuniger der Welt ist der Stanford Linear Accelerator , SLAC, der 3 km lang ist. SLAC war ursprünglich ein Elektron - Positron -Collider, ist aber jetzt 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 auf die Platte aufgebrachte Ladung mit entgegengesetzter Polarität auf sie zu beschleunigt. Beim Durchgang durch ein Loch in der Platte wird die Polarität so umgeschaltet, dass die Platte sie nun abstößt und sie nun von dieser auf die nächste Platte beschleunigt werden. Normalerweise wird ein Strom von „Partikelbündeln“ beschleunigt, sodass 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 werden auch in der Medizin , in der Strahlentherapie und in der Radiochirurgie , vielfach eingesetzt . Linearbeschleuniger medizinischer Qualität beschleunigen Elektronen mithilfe eines Klystrons und einer komplexen Ablenkmagnetanordnung, die einen Strahl mit einer Energie von 6–30  MeV erzeugt. Die Elektronen können direkt verwendet oder mit einem Target kollidiert werden, um einen Röntgenstrahl zu erzeugen . Die Zuverlässigkeit, Flexibilität und Genauigkeit des erzeugten Strahlenbündels hat die ältere Anwendung der Kobalt-60- Therapie als Behandlungsinstrument weitgehend verdrängt.

Zirkuläre oder zyklische HF-Beschleuniger

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 passieren kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein Kreisbeschleuniger kleiner ist als ein Linearbeschleuniger vergleichbarer Leistung (dh ein Linearbeschleuniger müsste extrem lang sein, um die entsprechende 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, sendet es elektromagnetische Strahlung und Sekundäremissionen aus . Da ein Teilchen, das sich auf einem Kreis bewegt, immer zum Kreismittelpunkt hin 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 sind viele Hochenergie-Elektronenbeschleuniger Linearbeschleuniger. Bestimmte Beschleuniger ( Synchrotrons ) werden jedoch speziell für die Erzeugung von Synchrotronlicht ( Röntgenstrahlen ) gebaut.

Da die spezielle Relativitätstheorie verlangt, dass sich Materie im Vakuum immer langsamer als die Lichtgeschwindigkeit bewegt , nähert sich in Hochenergiebeschleunigern die Teilchengeschwindigkeit mit zunehmender Energie der Lichtgeschwindigkeit als Grenze, erreicht sie aber nie. Daher denken Teilchenphysiker im Allgemeinen nicht in Geschwindigkeit, sondern in Energie oder Impuls eines Teilchens , meist gemessen in Elektronenvolt (eV). 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 (typisch relativistischen ) Impuls ist .

Zyklotrone

Lawrences 60-Zoll-Zyklotron mit Magnetpolen von 60 Zoll (5 Fuß, 1,5 Meter) Durchmesser im Lawrence Radiation Laboratory der Universität von Kalifornien , Berkeley, im August 1939, damals der leistungsstärkste Beschleuniger der Welt. Glenn T. Seaborg und Edwin McMillan (rechts) entdeckten damit Plutonium , Neptunium und viele andere Transurane und Isotope, wofür sie 1951 den Nobelpreis für Chemie erhielten.

Die frühesten funktionsfähigen Kreisbeschleuniger waren Zyklotrone , die 1929 von Ernest Lawrence an der University of California, Berkeley , erfunden wurden . Zyklotrone haben ein einzelnes Paar hohler "D"-förmiger Platten, um die Teilchen zu beschleunigen, und einen einzelnen großen Dipolmagneten , um ihren Weg in eine kreisförmige Umlaufbahn zu biegen. Es ist eine charakteristische Eigenschaft geladener Teilchen in einem gleichmäßigen und konstanten Magnetfeld B, dass sie mit einer konstanten Periode umkreisen, bei einer Frequenz, die als Zyklotronfrequenz bezeichnet wird , solange ihre Geschwindigkeit klein im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit c ist . Dies bedeutet, dass die Beschleunigungs-Ds eines Zyklotrons mit einer konstanten Frequenz durch eine Hochfrequenz(HF)-Beschleunigungsenergiequelle angetrieben werden können, während der Strahl kontinuierlich nach außen spiralförmig verläuft. Die Partikel werden in der Mitte des Magneten injiziert und am äußeren Rand mit ihrer maximalen Energie extrahiert.

Zyklotrone erreichen aufgrund relativistischer Effekte eine Energiegrenze, wodurch die Teilchen tatsächlich massiver werden, so dass ihre Zyklotronfrequenz aus dem Takt mit der beschleunigenden HF fällt. Daher können einfache Zyklotrone Protonen nur auf eine Energie von etwa 15 Millionen Elektronenvolt (15 MeV, entsprechend einer Geschwindigkeit von etwa 10 % von c ) beschleunigen, da die Protonen gegenüber dem treibenden elektrischen Feld außer Phase geraten. Bei einer weiteren Beschleunigung würde der Strahl weiterhin spiralförmig nach außen zu einem größeren Radius verlaufen, aber die Teilchen würden nicht mehr genug Geschwindigkeit erreichen, um den größeren Kreis im Gleichschritt mit der beschleunigenden HF zu vollenden. Um relativistischen Effekten Rechnung zu tragen, muss das Magnetfeld auf höhere Radien erhöht werden, wie dies in 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, der derzeit 2,2 mA beträgt. Die Energie und der Strom entsprechen 1,3 MW Strahlleistung, was die höchste aller derzeit existierenden Beschleuniger ist.

Synchrozyklotrone und isochrone Zyklotrone

Ein Magnet im Synchrozyklotron des Protonentherapiezentrums Orsay

Ein klassisches Zyklotron kann modifiziert werden, um seine Energiegrenze zu erhöhen. Der historisch erste Ansatz war das Synchrozyklotron , das die Teilchen bündelweise beschleunigt. Es verwendet ein konstantes Magnetfeld , reduziert jedoch die Frequenz des Beschleunigungsfelds, um die Partikel im Gleichschritt zu halten, wenn sie sich spiralförmig nach außen bewegen, und passt sich ihrer masseabhängigen Zyklotron-Resonanzfrequenz an . Dieser Ansatz leidet unter einer niedrigen durchschnittlichen Strahlintensität aufgrund der Bündelung und wiederum unter der Notwendigkeit eines riesigen Magneten mit großem Radius und konstantem Feld über die durch hohe Energie geforderte größere Umlaufbahn.

Der zweite Ansatz für das Problem der Beschleunigung relativistischer Teilchen ist das isochrone Zyklotron . In einer solchen Struktur wird die Frequenz des Beschleunigungsfelds (und die Zyklotronresonanzfrequenz) für alle Energien konstant gehalten, indem die Magnetpole so geformt werden, dass das Magnetfeld mit dem Radius zunimmt. 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 hohen Magnetfeldwerte zu erreichen, die am äußeren Rand der Struktur erforderlich sind.

Synchrozyklotrone wurden nicht mehr gebaut, seit das isochrone Zyklotron entwickelt wurde.

Synchrotrons

Luftaufnahme des Tevatron bei Fermilab , das einer Acht ähnelt. Der Hauptbeschleuniger ist der Ring darüber; der untere (etwa der halbe Durchmesser, trotz des Aussehens) dient der Vorbeschleunigung, der Strahlkühlung und -speicherung usw.

Um noch höhere Energien zu erreichen, mit relativistischer Masse, die sich der Ruhemasse der Teilchen nähert oder sie überschreitet (für Protonen, Milliarden von Elektronenvolt oder GeV ), ist es notwendig, ein Synchrotron zu verwenden . 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 4,7 m (184 Zoll), während der Durchmesser von Synchrotrons wie dem LEP und dem LHC fast 10 km beträgt. Die Apertur der beiden Strahlen des LHC ist die Größenordnung von einem Zentimeter.) Der LHC enthält 16 HF-Hohlräume, 1232 supraleitende Dipolmagnete zur Strahllenkung und 24 Quadrupole zur Strahlfokussierung. Selbst bei dieser Größe ist der LHC durch seine Fähigkeit begrenzt, die Partikel zu lenken, ohne dass sie abdriften. Es wird angenommen, dass diese Grenze bei 14 TeV auftritt.

Da jedoch der Partikelimpuls während der Beschleunigung zunimmt, ist es notwendig, das Magnetfeld B proportional zu erhöhen, um eine konstante Krümmung der Umlaufbahn aufrechtzuerhalten. Folglich können Synchrotrons Partikel nicht kontinuierlich beschleunigen wie Zyklotrons, sondern müssen zyklisch arbeiten und Partikel in Bündeln liefern, die typischerweise alle paar Sekunden in Strahl-"Spills" an ein Ziel oder einen externen Strahl geliefert werden.

Da hochenergetische Synchrotrons den größten Teil ihrer Arbeit an Teilchen verrichten, die sich bereits mit nahezu Lichtgeschwindigkeit c fortbewegen , ist die Zeit für eine Umlaufbahn des Rings nahezu konstant, ebenso wie die Frequenz der HF-Hohlraumresonatoren , die zum Antreiben der Beschleunigung verwendet werden .

In modernen Synchrotrons ist die Strahlapertur klein und das Magnetfeld deckt nicht den gesamten Bereich der Teilchenbahn ab, wie es bei einem Zyklotron der Fall ist, 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 umschließen). Das Design von Synchrotrons wurde in den frühen 1950er Jahren mit der Entdeckung des Konzepts der starken Fokussierung revolutioniert . Die Fokussierung des Strahls erfolgt unabhängig voneinander durch spezialisierte Quadrupolmagnete , während die Beschleunigung selbst in separaten HF-Sektionen erfolgt, ähnlich wie bei kurzen Linearbeschleunigern. Es besteht auch keine Notwendigkeit, dass zyklische Maschinen kreisförmig sind, sondern das Strahlrohr kann gerade Abschnitte zwischen Magneten haben, wo Strahlen kollidieren, gekühlt werden können usw. Dies hat sich zu einem ganz separaten Thema entwickelt, das als "Strahlphysik" oder "Strahl" bezeichnet wird Optik".

Komplexere moderne Synchrotrons wie Tevatron, LEP und LHC können die Teilchenpakete in Speicherringe aus Magneten mit einem konstanten Magnetfeld liefern, wo sie für Experimente oder weitere Beschleunigung für lange Zeiträume weiter umkreisen können. Die energiereichsten Maschinen wie das Tevatron und der LHC sind eigentlich Beschleunigerkomplexe mit einer Kaskade spezialisierter Elemente in Reihe, darunter Linearbeschleuniger für die anfängliche Strahlerzeugung, ein oder mehrere Niedrigenergie-Synchrotrons zum Erreichen mittlerer Energie, Speicherringe, in denen sich Strahlen befinden können angesammelt oder "gekühlt" (Reduzierung der erforderlichen Magnetapertur und Ermöglichung einer engeren Fokussierung; siehe Strahlkühlung ) und ein letzter großer Ring für endgültige Beschleunigung und Experimente.

Segment eines Elektronen-Synchrotrons bei DESY
Elektronen-Synchrotrons

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

In den letzten zwei Jahrzehnten wurde eine große Anzahl von Elektronen-Synchrotrons als Teil von Synchrotron-Lichtquellen gebaut , die ultraviolettes Licht und Röntgenstrahlen emittieren; siehe unten.

Aufbewahrungsringe

Für einige Anwendungen ist es sinnvoll, Strahlen hochenergetischer Teilchen einige Zeit (bei moderner Hochvakuumtechnik bis zu vielen Stunden) ohne weitere Beschleunigung zu speichern. Dies gilt insbesondere für Kollisionsstrahlbeschleuniger , bei denen zwei Strahlen, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, dazu gebracht werden, miteinander zu kollidieren, wobei ein großer Gewinn an effektiver Kollisionsenergie erzielt wird . 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 ohne nennenswerte HF sind Kraft zum Beschleunigen.

Synchrotronstrahlungsquellen

Einige Kreisbeschleuniger wurden gebaut, um absichtlich Strahlung (genannt Synchrotronlicht ) als Röntgenstrahlen, 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 sie am SPEAR von SLAC erforscht und entwickelt wurde .

Alternierende Gradientenbeschleuniger mit festem Feld

Fixed-Field Alternating Gradient Accelerators (FFA) , bei denen ein zeitlich festes Magnetfeld, aber mit einer radialen Variation, um eine starke Fokussierung zu erreichen , eine Beschleunigung des Strahls mit einer hohen Wiederholungsrate, aber in einer viel geringeren radialen Ausbreitung ermöglicht als im Fall des Zyklotrons. Isochrone FFAs erreichen wie isochrone Zyklotrone einen kontinuierlichen Strahlbetrieb, jedoch ohne die Notwendigkeit eines riesigen Dipol-Ablenkmagneten, der den gesamten Radius der Umlaufbahnen abdeckt. Einige neue Entwicklungen bei FFAs werden behandelt.

Geschichte

Das erste Zyklotron von Ernest Lawrence hatte einen Durchmesser von nur 100 mm. Später, im Jahr 1939, baute er eine Maschine mit einer Polfläche von 60 Zoll Durchmesser und plante 1942 eine mit einem Durchmesser von 184 Zoll , die jedoch für Arbeiten im Zusammenhang mit dem Zweiten Weltkrieg im Zusammenhang mit der Uranisotopentrennung übernommen wurde ; nach dem Krieg diente es noch viele Jahre 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 damals nur theoretisierte Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie der Natur zu verifizieren . Das Alternating Gradient Synchrotron (AGS) in Brookhaven (1960–) war das erste große Synchrotron mit „ stark fokussierenden “ Magneten mit alternierendem Gradienten, das die erforderliche Apertur des Strahls und entsprechend die Größe und Kosten der Ablenkmagnete stark reduzierte. Das Protonen-Synchrotron , gebaut am CERN (1959–), war der erste große europäische Teilchenbeschleuniger und ähnelte 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 großer Klystrons angetrieben wurde . Er ist nach wie vor der größte existierende Linearbeschleuniger und wurde um Speicherringe und eine Elektron-Positron-Beschleunigeranlage erweitert. 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 wurde mehrfach modernisiert und fungierte als Proton-Antiproton-Collider, bis er aufgrund von Budgetkürzungen am 30. September 2011 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, um den Tunnel für den Large Hadron Collider (LHC) nutzen zu können. Der LHC ist ein Protonencollider und derzeit der weltweit größte und energiereichste Beschleuniger, der 6,5 TeV Energie pro Strahl (insgesamt 13 TeV) erreicht.

Der abgebrochene Superconductor 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 ausnahmslos in Tunneln mit einer Breite von einigen Metern gebaut, um die Unterbrechung und die Kosten für den Bau einer solchen Struktur an der Oberfläche zu minimieren und um eine Abschirmung gegen auftretende intensive Sekundärstrahlung bereitzustellen. 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

Die Leistung eines Teilchenbeschleunigers kann im Allgemeinen mit Hilfe eines umlenkenden Elektromagneten auf mehrere Versuchslinien gleichzeitig gelenkt werden . Dadurch ist es möglich, mehrere Experimente zu betreiben, ohne Dinge bewegen oder den gesamten Beschleunigerstrahl abschalten zu müssen. Abgesehen von Synchrotronstrahlungsquellen besteht der Zweck eines Beschleunigers darin, hochenergetische Teilchen zur Wechselwirkung mit Materie zu erzeugen.

Dies ist normalerweise ein festes Ziel, wie z. B. 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 Linearbeschleuniger wird das Target einfach am Ende des Beschleunigers angebracht. Die Teilchenbahn in einem Zyklotron ist eine Spirale 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. Teilchen werden auf die gewünschte Energie beschleunigt. Dann wird ein schnell wirkender Dipolmagnet verwendet, um die Teilchen aus der kreisförmigen Synchrotronröhre heraus und in Richtung des Targets zu schalten.

Eine für die Teilchenphysik übliche Variante ist ein Collider , auch Speicherringcollider genannt . Zwei kreisförmige Synchrotrons werden in unmittelbarer Nähe gebaut – normalerweise übereinander und mit denselben Magneten (die dann komplizierter konstruiert sind, um beide Strahlrohre aufzunehmen). Bündel von Teilchen bewegen sich in entgegengesetzten Richtungen um die beiden Beschleuniger herum und kollidieren an Schnittpunkten zwischen ihnen. Das kann die Energie enorm steigern; Während in einem Fixed-Target-Experiment die verfügbare Energie zur Erzeugung neuer Teilchen proportional zur Quadratwurzel der Strahlenergie ist, ist die verfügbare Energie in einem Collider linear.

Detektoren

Höhere Energien

Gegenwärtig sind die energiereichsten Beschleuniger alle Circular Collider, aber sowohl Hadronenbeschleuniger als auch Elektronenbeschleuniger stoßen an Grenzen. Hadronen- und zyklische Ionenbeschleuniger mit höherer Energie werden aufgrund der erhöhten Strahlsteifigkeit Beschleunigertunnel mit größerer physikalischer Größe erfordern .

Bei zyklischen Elektronenbeschleunigern wird der praktische Biegeradius durch Synchrotronstrahlungsverluste begrenzt, und die nächste Generation wird wahrscheinlich Linearbeschleuniger mit der 10-fachen derzeitigen Länge sein. 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 innerhalb von zwei bis drei Jahrzehnten dramatische Effizienzsteigerungen gegenüber HF-Beschleunigern bieten könnte. In Plasma-Wakefield-Beschleunigern ist der Strahlhohlraum mit einem Plasma gefüllt (statt Vakuum). Ein kurzer Impuls aus Elektronen oder Laserlicht bildet entweder die Teilchen, die beschleunigt werden, oder geht ihnen unmittelbar voraus. Der Impuls unterbricht das Plasma und bewirkt, dass sich die geladenen Teilchen im Plasma in den beschleunigten Teilchenhaufen integrieren und nach hinten bewegen. Dieser Prozess überträgt Energie auf das Teilchenpaket, beschleunigt es weiter und dauert an, solange der Puls kohärent ist.

Energiegradienten von bis zu 200 GeV/m wurden über Entfernungen im Millimeterbereich mit Laserpulsern erreicht, und Gradienten, die sich 1 GeV/m nähern, werden mit Elektronenstrahlsystemen im Multizentimeterbereich erzeugt, im Gegensatz zu einer Grenze von etwa 0,1 GeV/m allein für Hochfrequenzbeschleunigung. 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. Somit könnten Plasma-Wakefield-Beschleuniger – wenn technische Probleme gelöst werden können – sowohl dazu verwendet werden, die maximale Energie der größten Beschleuniger zu erhöhen als auch hohe Energien in Universitätslabors und medizinische Zentren zu bringen.

Höhere Gradienten als 0,25 GeV/m wurden durch einen dielektrischen Laserbeschleuniger erreicht, der einen weiteren praktikablen Ansatz zum Bau kompakter Hochenergiebeschleuniger darstellen könnte. Unter Verwendung von Laserimpulsen mit einer Dauer von Femtosekunden wurde ein Elektronenbeschleunigungsgradient von 0,69 Gev/m für dielektrische Laserbeschleuniger aufgezeichnet. Höhere Gradienten in der Größenordnung von 1 bis 6 GeV/m werden nach weiteren Optimierungen erwartet.

Die Produktion von Schwarzen Löchern und Bedenken hinsichtlich der öffentlichen Sicherheit

In Zukunft könnte sich die Möglichkeit einer Produktion von Schwarzen Löchern an den Beschleunigern mit der höchsten Energie ergeben, wenn bestimmte Vorhersagen der Superstring-Theorie richtig sind. Diese und andere Möglichkeiten haben zu Bedenken hinsichtlich der öffentlichen Sicherheit geführt, die im Zusammenhang mit dem LHC , der 2008 in Betrieb genommen wurde, weithin gemeldet wurden LHC-Sicherheitsbewertungsgruppe. Wenn Schwarze Löcher produziert werden, wird theoretisch vorhergesagt, dass solche kleinen Schwarzen Löcher extrem schnell durch Bekenstein-Hawking-Strahlung verdampfen sollten , was jedoch experimentell noch nicht bestätigt ist. Wenn Kollider Schwarze Löcher produzieren können, müssen kosmische Strahlen (und insbesondere ultrahochenergetische kosmische Strahlen , UHECRs) sie seit Äonen produziert haben, aber sie haben noch niemandem Schaden zugefügt. Es wurde argumentiert, dass alle Schwarzen Löcher, die bei einer Kollision zwischen einem UHECR und lokaler Materie entstehen, zwangsläufig mit relativistischer Geschwindigkeit in Bezug auf die Erde bewegt werden und in den Weltraum entweichen sollten, um Energie und Impuls zu sparen, wie ihre Akkretions- und Wachstumsrate sollte sehr langsam sein, während Schwarze Löcher, die in Collidern (mit Komponenten gleicher Masse) erzeugt werden, eine gewisse Chance hätten, eine Geschwindigkeit zu haben, die geringer ist als die Fluchtgeschwindigkeit der Erde, 11,2 km pro Sekunde, und dazu neigen würden, eingefangen zu werden und anschließend zu wachsen. Doch selbst bei 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 Mikro-Schwarze Löcher produziert werden sollen, müssen sie viel zu langsam wachsen, um innerhalb der natürlichen Lebensdauer des Sonnensystems irgendwelche merklichen makroskopischen Effekte hervorzurufen.

Beschleuniger-Operator

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, stellt Betriebsparameter wie Seitenverhältnis , Stromstärke und Position auf dem Ziel ein. Sie kommunizieren mit und unterstützen das Wartungspersonal von Beschleunigern, um die Bereitschaft von Unterstützungssystemen wie Vakuum , Magneten , magnetischen und Hochfrequenz -Stromversorgungen und -Steuerungen sowie Kühlsystemen sicherzustellen. Zusätzlich unterhält der Betreiber des Beschleunigers eine Aufzeichnung von beschleunigerbezogenen Ereignissen.

Siehe auch

Verweise

Externe Links