|
|
|
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
|
 :
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/
|
|
S S
|
CERN, Genf
|
1981
|
Speicherring
|
 : 310 + 310
|
|
http://www.cern.ch/
|
|
Tevatron
|
Fermi National Accelerator Laboratory, USA
|
1986
|
Speicherring
|
 :
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 1: Blick in den 27km langen Tunnel des Large
Electron Positron Collider (LEP) am CERN.
Beschleuniger 2: Blick in die Hauptexperimentierhalle des
Hamburger Synchrotronstrahlungslabors (HASYLAB).
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