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Beschleuniger

hier im Sinne von »Teilchenbeschleuniger«. Vornehmlich Anlagen für Experimente im Rahmen der Elementarteilchenphysik, die helfen sollen, den Aufbau der Materie zu entschlüsseln. In B. werden elektrisch geladene Teilchen (Elektronen, Protonen, Ionen) durch Einwirkung elektrischer Felder oft bis nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Man unterscheidet Linear- und Kreisb. Alle Kreisb. (Betatron, Synchrotron, Zyklotron) sind Vielfachb. , aber auch in Linearb. können die Teilchen in sehr kurzen Zeitabständen schubweise beschleunigt werden. Der größte Kreisb. der Welt ist seit Mitte 1989 beim europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf in Betrieb; die unterirdisch verlegte Beschleunigungsstrecke dieses LEP (Large Electron Positron Colider) genannten B. ist 27 km lang. In Hamburg soll ab 1990 HERA (Hadron-Elektron-Ring-Anlage) mit einer Tunnellänge von 6, 3 km verfügbar sein. Hadronen sind massereiche Teilchen wie Protonen, die in HERA mit Elektronen, die in Gegenrichtung beschleunigt werden, kollidieren. Von Magnetfeldern geführt, durchlaufen die Teilchen 50000mal in der Sekunde den B. ring. Im Modellbau: Zusatzmittel zu » Epoxidhar zen oder Polyesterharzen, das den Härtevorgang abkürzt. Das vom Hersteller empfohlene HarzHärterBeschleunigerMischungsverhältnis sollte eingehalten wer den, damit sich die Eigenschaften des Kunst harzes nicht negativ verändern. Bei einigen Handelsformen wird der B. dem Kunstharz bereits beigemischt (vorbeschleunigtes Harz). Anlage zur Beschleunigung elektrisch geladener Teilchen (meist Elektronen, Protonen oder Ionen) auf sehr hohe, oftmals im ultrarelativistischen Bereich liegende Geschwindigkeiten (Energien bis in den TeV-Bereich); in einem erweiterten Sinne jedes Gerät, mit dem die kinetische Energie geladener Teilchen erhöht wird.

Hauptzweck eines Elementarteilchenbeschleunigers ist die Herstellung eines Teilchenstrahls mit folgenden Eigenschaften:

1) Die kinetischen Energien der beschleunigten Partikel sollen gross im Vergleich zu thermischen Energien sein.

2) Die Verteilung dieser Energien soll möglichst schmal sein.

3) Die Strahlteilchen sollen sich möglichst in einer Richtung bewegen.

4) Die Dichte des Strahls soll möglichst gross sein.

Beschleuniger lassen sich gemäss ihrem Beschleunigungsprinzip in Linearbeschleuniger (Geradeausbeschleuniger, Linacs) und Kreisbeschleuniger unterteilen. Linearbeschleuniger gliedern sich weiter in Potentialbeschleuniger, in denen die Beschleunigung durch ein elektrostatisches Potential erfolgt (z.B. in Cockcroft-Walton-Beschleunigern oder in Van-de-Graaff-Beschleunigern), sowie in Linearbeschleuniger, in denen die Beschleunigung durch Hochfrequenzfelder erreicht wird (z.B. in Driftröhren oder Wideroe-Alvarez-Beschleunigern). Bisweilen werden Linearbeschleuniger durch bogenförmige Abschnitte und Ablenkmagnete miteinander verbunden, so dass die Teilchen, ähnlich wie in einem Speicherring, dieselben Beschleunigungsabschnitte immer wieder durchlaufen.

In Kreisbeschleunigern werden die Teilchen durch magnetische und elektrische Felder auf kreisförmigen Bahnen beschleunigt. Beispiele sind das Zyklotron, das Synchrotron, das Betatron und das Mikrotron. Um Teilchenverluste zu vermeiden, die die Stromstärken auf unerwünschte Weise reduzieren, werden Teilchen, die zur falschen Beschleunigungsphase die Magnete oder Hochfrequenzfelder passieren, zumeist mittels des Prinzips der starken Fokussierung wieder in die richtige Phasenlage zurückbefördert. In Speicherringen laufen die Teilchen auf geschlossenen Kreisbahnen im Beschleuniger, wodurch hohe Energien und Teilchendichten erreicht werden können. In Collidern werden Teilchenpakete aus Partikeln gegensätzlicher Ladung beschleunigt und in den Wechselwirkungspunkten zur Kollision gebracht. Die meisten der modernen Teilchenbeschleuniger sind Speicherringe bzw. Collider. Eine Übersicht über die weltweit wichtigen Beschleunigeranlagen geben die Tabellen 1 und 2.

 

Beschleuniger 1: Übersicht über wichtige Hochenergiebeschleuniger.

Name

Standort

Inbetrieb-
nahme
(Jahr)

Beschleunigertyp

Energie [GeV]

Forschungsbereiche

Internetaddresse

Elektronenbeschleuniger

CEBAF (Continous Electron Beam Accelerator)

Jefferson Laboratory, USA

1994

Recirculating Linac

 4

Kernphysik, Kernaufbau, Nukleonstruktur, Materialforschung

http://www.cebaf.gov

DESY Synchrotron

DESY, Hamburg

 

Synchrotron

7

 

http://www.desy.de/

JLC (Japan Linear Collider)

KEK, Japan

in Planung

Linac

0,25-1

CP-Verletzung, Nukleonaufbau

http://www-jlc.kek.jp/

SLAC LINAC (Stanford Linear Collider Center LINAC)

Stanford Linear Collider Center

 

Linac

50

Hochenergiephysik, Teilchenphysik

http://www.slac.
stanford.edu/

Protonensynchrotons

AGS (Alternating Gradient Synchrotron)

Brookhaven National Laboratory, USA

 

Synchrotron

32

Hochenergiephysik

http://www.bnl.gov/

CERN PS (CERN Protonen-
synchrotron)

CERN, Genf

 

Synchrotron

28

/CE>

http://www.cern.ch/

KEK

KEK, Japan

 

Synchrotron

12

 

http://www.kek.jp/

Serpukhov

Serpukhov, Russland

 

Synchrotron

76

 

http://www.ihep.su/

SPS (Super Proton Synchrotron)

CERN, Genf

1976

Synchrotron

0,4

Hochenergiephysik, Teilchenphysik

http://www.cern.ch/

Tevatron II

Fermi National Accelerator Laboratory, USA

 

Synchrotron

1000

Hochenergiephysik, Teilchenphysik

http://www.fnal.gov/

Collider

ALS (Advanced Light Source)

Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory, USA

 

Speicherring

e+e-: 1,5

Fusion, Synchrotronquelle, Plasmaforschung, Antimaterie, Ionenstrahlen

http://www.lbl.gov

CESR (Cornell Electron-
Positron Storage Ring)

Cornell university, USA

 

Speicherring

e+e-: 8 + 8

Hochenergiephysik

http://w4.lns.cornell.
edu/

HERA (Hadron-Elektron- Ring-Anlage)

DESY, Hamburg

1990

Doppel-
Speicherring

e-p: 30e + 820p

Nukleonstruktur, -spin, CP-Verletzung, Fundamentalkräfte

http://info.desy.de/

LEP (Large Electron Positron Collider)

CERN, Genf

1989

Speicherring

e+e-: 90 + 90

Teilchenphysik, Antimaterie, Myonen,  Quark-Gluon-Plasma ...

http://www.cern.ch/

LHC (Large Hadron Collider)

CERN

voraussichtlich 2005

Speicherring

Beschleuniger:
 7000 + 7000

Hochenergiephysik, Teilchenphysik

http://www.cern.ch/

PEP (Positron-
Electron Project)

Stanford Linear Collider Center, USA

1980

Speicherring

e+e-: 18 + 18

Hochenergiephysik, Teilchenphysik

http://www.slac.
stanford.edu/

PEP II (Positron-Elec-
tron Project II)

Stanford Linear Collider Center, USA

voraussichtlich 1998

Doppel-
Speicherring

e-p: 9e + 3,1p

Hochenergiephysik, Teilchenphysik

http://www.slac.
stanford.edu/

PETRA

DESY, Hamburg

 

Speicherring

e+e-:

Hochenergiephysik, Teilchenphysik

http://www.desy.de/

SLC (Stanford Linear Collider)

Stanford Linear Collider Center, USA

1989

Linac

e+e-: 50 + 50

Hochenergiephysik, Teilchenphysik

http://www.slac.
stanford.edu/

SBeschleunigerS

CERN, Genf

1981

Speicherring

Beschleuniger: 310 + 310

 

http://www.cern.ch/

Tevatron

Fermi National Accelerator Laboratory, USA

1986

Speicherring

Beschleuniger:
1000 + 1000

Teilchenphysik, Nukleonaufbau, frühes Universum, Neutrinos

http://www.fnal.gov

TRISTAN

KEK, Japan

1986

Speicherring

e+e-: 30 + 30

Hochenergiephysik

http://www.kek.jp/

 

Beschleuniger 2: Wichtige Ionen- und Schwerionen-Beschleuniger.

Name

Standort

Inbetrieb-

nahme (Jahr)

Beschleunigertyp

Energie

Forschungsbereiche

Internetaddresse

ESR (Experimental Storage ring)

GSI, Darmstadt

1985-1990

Speicherring

Schwerionen:

U:3-560 Mev/Nukleon,

Ne: 3-830 MeV/Nukleon

schwere Kerne, Plasmaphysik, Materialforschung, Biophysik, Kernmaterie

http://www.gsi.de/

ISAC (Isotope Separator and Accelerator)

TRIUMF (Tri University Meson Facility),  Kanada

seit 1995 im Bau

Zyklotron

Ionen: 1 TeV

Teilchenphyik, nukleare Astrophysik, Kernphysik, medizinische Forschung

http://www.triumf.ca/

K1200 Zyklotron

National Superconducting Cyclotron  Laboratory, USA

1988

Zyklotron

Ionen: 20-200 MeV/Nukleon

Teilchenstrahlen, Kernphysik, Supraleitung

http://www.nscl.msu.edu/

K540 RRC, (K540 Riken Ring Cyclotron)

RIKEN Accelerator Research Facility, Japan

1986

Zyklotron

Ionen: bis 135 MeV/Nukleon

Kernphysik, Materialforschung, medizinische Anwendungen

http://www.riken.go.jp/

ORIC (Oak Ridge Isochronous Cyclotron)

Oak Ridge, USA

1975-1978

Zyklotron

Ionen: bis 25 MeV/Nukleon

Kernphysik, Ionen, Neutronen

http://www.ornl.gov

RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider)

Brookhaven National Laboratory, USA

1999

Speicherring

Ionen: bis 100 TeV/Nukleon

Quark-Gluon-Plasma

http://www..bnl.gov/

SIS (Schweionen-Synchrotron

GSI, Darmstadt

1990

Synchrotron

Schwerionen: bis 2 GeV/Nukleon

Kernphysik, Atomphysik, Biophysik und Tumortherapie, Plasmaphysik, Materialforschung

http://www.gsi.de/

UNILAC

GSI, Darmstadt

 

Linac

Schwerionen:

Kernphysik, Atomphysik, Materialforschung

http://www.gsi.de/

 

Der Tunnel des LEP am CERN und die Hauptexperimentierhalle beim HASYLAB am DESY sind in Abb. 1 und 2 dargestellt.

Neben der für die Physik zentralen Anwendung in der Kern- und Elementarteilchenphysik, in der die beschleunigten Teilchenstrahlen anstelle der Lichtwellen der klassischen optischen Geräte die Sondenfunktion übernehmen, haben sich dem Beschleuniger im Laufe der Zeit eine Reihe wichtiger Anwendungen erschlossen (Tabelle 3).

Beschleuniger 3: Über die Elementarteilchenphysik hinausgehende wichtige Anwendungen von Beschleunigern.

Gebiet

Beschleunigeranwendung

Optoelektronik

· Bildverstärker und schnelle Schlierenkammern

Atomphysik

· Messung von Wirkungsquerschnitten

 

· Sekundärionen-Massenspektroskopie

Laserphysik

· Treiber für Gaslaser und Freie-Elektronen-Laser

Kernphysik

· Eichung von Strahlungsdetektoren

 

· elektronukleares Brüten von Spaltstoffen

 

· gepulste Neutronenquellen für Uran-Bohrlochuntersuchungen

 

· Prüfstück nuklearer Materialien für sicherheitstechnische Anwendungen

 

· Untersuchung von Strahlenschäden in Atomreaktoren

 

· Untersuchungen von Transuranen

Festkörperphysik

· Elektronenmikroskopie

 

· Elektronenstrahlschweissen

 

· Herstellung von Synchrotronstrahlung für festkörperphysikalische Forschungen

 

· intensive gepulste Neutronenquellen für die Radiographie und für Materialuntersuchungen

 

· Vernetzung von thermoplastischen Materialien

Oberflächenphysik

· Elektronen- und Ionen-Oberflächen-Mikrosonden

 

· Oberflächenmodifikation von Materialien durch Ionenimplantation

Halbleiterphysik/Elektronik

· Kathodenstrahlröhren und schnelle Digitalwandler

 

· Verarbeitung von Halbleiterschaltkreisen

Plasmaphysik

· intensive Ionenstrahlen zum Betrieb von Trägheitsfusionsreaktoren

 

· Materialuntersuchungen für themonukleare Fusionsreaktoren

 

· Plasmaheizung für Fusionsreaktoren

Biophysik

· Analyse von Spurenelementen in Biologie und Archäologie

 

· Sterilisierung von Nahrungsmitteln

Medizinische Physik

· Erzeugung kurzlebiger Radioisototpe zu medizinischen Diagnosezwecken

 

· Erzeugung von Röntgenstrahlen und Pionen für die Strahlungstherapie

 

· gepulste Röntgenradiographie

Geophysik

· Analyse von Gesteinsformationen in Öl- und Erdgaslagern

 

 

Beschleuniger

Beschleuniger 1: Blick in den 27km langen Tunnel des Large Electron Positron Collider (LEP) am CERN.

Beschleuniger

Beschleuniger 2: Blick in die Hauptexperimentierhalle des Hamburger Synchrotronstrahlungslabors (HASYLAB).

 

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