Lexikon der Physik: Beschleuniger
Beschleuniger, 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.
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| 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.
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| 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.
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| 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 |
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Beschleuniger 1: Blick in den 27km langen Tunnel des Large Electron Positron Collider (LEP) am CERN.
![](javascript:ShowPic("/lexika/images/physik/fff1025.jpg", "1052", "682");)
Beschleuniger 2: Blick in die Hauptexperimentierhalle des Hamburger Synchrotronstrahlungslabors (HASYLAB).
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