Ein Teilchenbeschleuniger ist ein Gerät, das einen Strahl aus elektrisch geladenen atomaren oder subatomaren Teilchen erzeugt, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen. Seine Arbeit basiert auf einer Erhöhung ihrer Energie durch ein elektrisches Feld und einer Änderung der Flugbahn - durch ein magnetisches.
Wozu dienen Teilchenbeschleuniger?
Diese Geräte sind in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Industrie weit verbreitet. Heute gibt es mehr als 30.000 von ihnen auf der ganzen Welt. Für einen Physiker dienen Teilchenbeschleuniger als Werkzeug für die grundlegende Erforschung der Struktur von Atomen, der Natur der Kernkräfte und der Eigenschaften von Kernen, die in der Natur nicht vorkommen. Letztere beinh alten Transuran und andere instabile Elemente.
Mit Hilfe einer Entladungsröhre wurde es möglich, die spezifische Ladung zu bestimmen. Teilchenbeschleuniger werden auch bei der Herstellung von Radioisotopen, in der industriellen Radiographie, in der Strahlentherapie, bei der Sterilisation biologischer Materialien und in Radiokohlenstoff verwendetAnalyse. Die größten Anlagen werden zur Untersuchung grundlegender Wechselwirkungen verwendet.
Die Lebensdauer geladener Teilchen in Ruhe relativ zum Beschleuniger ist kürzer als die von Teilchen, die auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Dies bestätigt die Relativität von SRT-Zeitintervallen. Beispielsweise wurde am CERN eine 29-fache Erhöhung der Lebensdauer von Myonen bei einer Geschwindigkeit von 0,9994c erreicht.
In diesem Artikel geht es um die Funktionsweise eines Teilchenbeschleunigers, seine Entwicklung, verschiedene Typen und Besonderheiten.
Beschleunigungsprinzipien
Egal welche Teilchenbeschleuniger du kennst, sie haben alle gemeinsame Elemente. Erstens müssen sie alle eine Elektronenquelle im Falle einer Fernsehkamera oder Elektronen, Protonen und ihre Antiteilchen im Falle größerer Installationen haben. Darüber hinaus müssen sie alle über elektrische Felder verfügen, um die Teilchen zu beschleunigen, und über magnetische Felder, um ihre Flugbahn zu steuern. Außerdem ist das Vakuum im Teilchenbeschleuniger (10-11 mm Hg), also ein Minimum an Restluft, notwendig, um eine lange Lebensdauer der Strahlen zu gewährleisten. Und schließlich müssen alle Anlagen über die Möglichkeit verfügen, beschleunigte Teilchen zu registrieren, zu zählen und zu messen.
Generation
Elektronen und Protonen, die am häufigsten in Beschleunigern verwendet werden, kommen in allen Materialien vor, aber zuerst müssen sie daraus isoliert werden. Normalerweise werden Elektronen erzeugtgenau wie in einer Bildröhre - in einem Gerät namens "Pistole". Es ist eine Kathode (negative Elektrode) in einem Vakuum, die bis zu dem Punkt erhitzt wird, an dem Elektronen beginnen, sich von Atomen zu lösen. Negativ geladene Teilchen werden von der Anode (positive Elektrode) angezogen und passieren den Auslass. Die Kanone selbst ist auch der einfachste Beschleuniger, da sich die Elektronen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bewegen. Die Spannung zwischen Kathode und Anode liegt normalerweise zwischen 50-150 kV.
Alle Materialien enth alten neben Elektronen auch Protonen, aber nur die Kerne von Wasserstoffatomen bestehen aus einzelnen Protonen. Daher ist die Teilchenquelle für Protonenbeschleuniger gasförmiger Wasserstoff. Dabei wird das Gas ionisiert und die Protonen entweichen durch das Loch. In großen Beschleunigern werden Protonen oft als negative Wasserstoffionen erzeugt. Sie sind Atome mit einem zusätzlichen Elektron, die das Produkt der Ionisierung eines zweiatomigen Gases sind. Am Anfang ist es einfacher, mit negativ geladenen Wasserstoffionen zu arbeiten. Dann werden sie durch eine dünne Folie geleitet, die ihnen vor der Endphase der Beschleunigung die Elektronen entzieht.
Beschleunigung
Wie funktionieren Teilchenbeschleuniger? Das Hauptmerkmal von jedem von ihnen ist das elektrische Feld. Das einfachste Beispiel ist ein gleichmäßiges statisches Feld zwischen positiven und negativen elektrischen Potentialen, ähnlich dem zwischen den Polen einer elektrischen Batterie. In solchFeld wird ein negativ geladenes Elektron einer Kraft ausgesetzt, die es auf ein positives Potential lenkt. Sie beschleunigt ihn, und wenn nichts dagegen spricht, nehmen seine Geschwindigkeit und Energie zu. Elektronen, die sich in einem Draht oder sogar in Luft auf ein positives Potential zubewegen, kollidieren mit Atomen und verlieren Energie, aber wenn sie sich im Vakuum befinden, beschleunigen sie, wenn sie sich der Anode nähern.
Die Spannung zwischen der Anfangs- und Endposition eines Elektrons bestimmt die von ihm aufgenommene Energie. Beim Durchlaufen einer Potentialdifferenz von 1 V entspricht dies 1 Elektronenvolt (eV). Dies entspricht 1,6 × 10-19 Joule. Die Energie einer fliegenden Mücke ist eine Billion Mal größer. In einer Bildröhre werden Elektronen durch eine Spannung von über 10 kV beschleunigt. Viele Beschleuniger erreichen viel höhere Energien, gemessen in Mega-, Giga- und Teraelektronenvolt.
Sorten
Einige der frühesten Arten von Teilchenbeschleunigern, wie der Spannungsvervielfacher und der Van-de-Graaff-Generator, verwendeten konstante elektrische Felder, die durch Potentiale bis zu einer Million Volt erzeugt wurden. Es ist nicht einfach, mit so hohen Spannungen zu arbeiten. Eine praktischere Alternative ist die wiederholte Wirkung schwacher elektrischer Felder, die durch niedrige Potentiale erzeugt werden. Dieses Prinzip wird in zwei Arten moderner Beschleuniger verwendet - linear und zyklisch (hauptsächlich in Zyklotrons und Synchrotrons). Lineare Teilchenbeschleuniger, kurz gesagt, führen sie einmal durch eine SequenzBeschleunigungsfelder, während sie sich im zyklischen wiederholt auf einer Kreisbahn durch relativ kleine elektrische Felder bewegen. In beiden Fällen hängt die Endenergie der Teilchen von der kombinierten Wirkung der Felder ab, so dass sich viele kleine „Schocks“zu einer großen Wirkung addieren.
Die sich wiederholende Struktur eines Linearbeschleunigers zur Erzeugung elektrischer Felder beinh altet natürlich die Verwendung von Wechselspannung anstelle von Gleichspannung. Positiv geladene Teilchen werden in Richtung des negativen Potentials beschleunigt und erh alten einen neuen Impuls, wenn sie das positive passieren. In der Praxis sollte sich die Spannung sehr schnell ändern. Beispielsweise bewegt sich ein Proton bei einer Energie von 1 MeV mit sehr hoher Geschwindigkeit von 0,46 der Lichtgeschwindigkeit und legt 1,4 m in 0,01 ms zurück. Das bedeutet, dass in einem mehrere Meter langen, sich wiederholenden Muster die Richtung der elektrischen Felder mit einer Frequenz von mindestens 100 MHz geändert werden muss. Linear- und Kreisbeschleuniger geladener Teilchen beschleunigen diese in der Regel mit elektrischen Wechselfeldern mit einer Frequenz von 100 bis 3000 MHz, also von Radiowellen bis zu Mikrowellen.
Eine elektromagnetische Welle ist eine Kombination aus elektrischen und magnetischen Wechselfeldern, die senkrecht zueinander schwingen. Der Schlüsselpunkt des Beschleunigers besteht darin, die Welle so einzustellen, dass das elektrische Feld beim Eintreffen des Teilchens entsprechend dem Beschleunigungsvektor ausgerichtet wird. Dies kann mit einer stehenden Welle erfolgen - einer Kombination von Wellen, die sich in einer geschlossenen Schleife in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten. Raum, wie Schallwellen in einer Orgelpfeife. Eine Alternative für sich sehr schnell bewegende Elektronen, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, ist eine Wanderwelle.
Autophasing
Ein wichtiger Effekt beim Beschleunigen im elektrischen Wechselfeld ist die „Autophasierung“. In einem Schwingungszyklus geht das Wechselfeld von Null über einen Maximalwert wieder auf Null, fällt auf ein Minimum und steigt auf Null an. Es geht also durch den Wert, der benötigt wird, um zweimal zu beschleunigen. Wenn das beschleunigende Teilchen zu früh eintrifft, wird es nicht von einem Feld ausreichender Stärke beeinflusst, und der Stoß wird schwach sein. Wenn sie den nächsten Abschnitt erreicht, wird sie sich verspäten und einen stärkeren Aufprall erfahren. Als Ergebnis tritt eine Autophasierung auf, die Partikel sind in Phase mit dem Feld in jedem Beschleunigungsbereich. Ein weiterer Effekt wäre, sie im Laufe der Zeit in Klumpen anstatt in einem kontinuierlichen Strom zu gruppieren.
Strahlrichtung
Magnetfelder spielen auch eine wichtige Rolle bei der Funktionsweise eines Beschleunigers für geladene Teilchen, da sie die Richtung ihrer Bewegung ändern können. Das heißt, mit ihnen lassen sich die Strahlen entlang einer Kreisbahn „biegen“, so dass sie mehrmals dieselbe Beschleunigungsstrecke durchlaufen. Im einfachsten Fall wird ein geladenes Teilchen, das sich quer zur Richtung eines homogenen Magnetfeldes bewegt, einer Kraft ausgesetztsenkrecht sowohl zum Vektor seiner Verschiebung als auch zum Feld. Dadurch bewegt sich der Strahl auf einer kreisförmigen Bahn senkrecht zum Feld, bis er seinen Wirkungsbereich verlässt oder eine andere Kraft auf ihn einzuwirken beginnt. Dieser Effekt wird in Kreisbeschleunigern wie Zyklotron und Synchrotron genutzt. In einem Zyklotron wird durch einen großen Magneten ein konstantes Feld erzeugt. Die Teilchen, wenn ihre Energie wächst, spiralförmig nach außen und beschleunigen sich mit jeder Umdrehung. In einem Synchrotron bewegen sich die Bündel um einen Ring mit konstantem Radius, und das von den Elektromagneten um den Ring herum erzeugte Feld nimmt mit der Beschleunigung der Teilchen zu. Die „Krümmungs“-Magnete sind Dipole, deren Nord- und Südpol hufeisenförmig gebogen sind, sodass der Strahl zwischen ihnen passieren kann.
Die zweite wichtige Funktion von Elektromagneten besteht darin, Strahlen so zu konzentrieren, dass sie so schmal und intensiv wie möglich sind. Die einfachste Form eines Fokussiermagneten hat vier gegenüberliegende Pole (zwei Nord- und zwei Südpole). Sie schieben die Teilchen in einer Richtung zum Zentrum, lassen sie aber in der senkrechten Richtung ausbreiten. Quadrupol-Magnete fokussieren den Strahl horizontal, sodass er vertikal unscharf wird. Dazu müssen sie paarweise verwendet werden. Für eine genauere Fokussierung werden auch komplexere Magnete mit mehr Polen (6 und 8) verwendet.
Mit zunehmender Energie der Teilchen nimmt die Stärke des Magnetfelds zu, das sie leitet. Dadurch bleibt der Strahl auf dem gleichen Weg. Das Gerinnsel wird in den Ring eingeführt und dazu beschleunigtbenötigte Energie, bevor sie entnommen und in Experimenten verwendet werden kann. Das Zurückziehen wird durch Elektromagnete erreicht, die sich einsch alten, um Partikel aus dem Synchrotronring zu drücken.
Kollision
Teilchenbeschleuniger, die in der Medizin und Industrie verwendet werden, erzeugen hauptsächlich einen Strahl für einen bestimmten Zweck, wie zum Beispiel Strahlentherapie oder Ionenimplantation. Das bedeutet, dass die Partikel einmal verwendet werden. Dasselbe g alt viele Jahre lang für Beschleuniger, die in der Grundlagenforschung eingesetzt werden. Doch in den 1970er-Jahren wurden Ringe entwickelt, bei denen die beiden Strahlen in entgegengesetzte Richtungen umlaufen und entlang des gesamten Kreises kollidieren. Der Hauptvorteil solcher Anlagen besteht darin, dass bei einer Frontalkollision die Energie der Partikel direkt in die Wechselwirkungsenergie zwischen ihnen übergeht. Dies steht im Gegensatz zu dem, was passiert, wenn der Strahl auf ruhendes Material trifft: In diesem Fall wird die meiste Energie dafür aufgewendet, das Zielmaterial gemäß dem Impulserh altungssatz in Bewegung zu versetzen.
Einige Kollisionsstrahlmaschinen sind mit zwei Ringen gebaut, die sich an zwei oder mehr Stellen schneiden, in denen Teilchen des gleichen Typs in entgegengesetzte Richtungen zirkulieren. Collider mit Teilchen und Antiteilchen sind häufiger. Ein Antiteilchen hat die entgegengesetzte Ladung seines zugehörigen Teilchens. Beispielsweise ist ein Positron positiv geladen, während ein Elektron negativ geladen ist. Das bedeutet, dass das Feld, das das Elektron beschleunigt, das Positron abbremst,in die gleiche Richtung bewegen. Bewegt sich letzterer jedoch in die entgegengesetzte Richtung, beschleunigt er. Ebenso biegt sich ein Elektron, das sich durch ein Magnetfeld bewegt, nach links und ein Positron nach rechts. Aber wenn sich das Positron darauf zubewegt, dann wird seine Bahn immer noch nach rechts abweichen, aber entlang der gleichen Kurve wie das Elektron. Zusammen bedeutet dies, dass sich diese Teilchen aufgrund der gleichen Magnete entlang des Synchrotronrings bewegen und durch die gleichen elektrischen Felder in entgegengesetzte Richtungen beschleunigt werden können. Viele der leistungsstärksten Collider auf kollidierenden Strahlen wurden nach diesem Prinzip entwickelt, da nur ein Beschleunigerring benötigt wird.
Der Strahl im Synchrotron bewegt sich nicht kontinuierlich, sondern wird zu "Klumpen" zusammengefasst. Sie können mehrere Zentimeter lang sein, einen Durchmesser von einem Zehntel Millimeter haben und etwa 1012 Partikel enth alten. Dies ist eine kleine Dichte, da eine Substanz dieser Größe etwa 1023 Atome enthält. Wenn sich Strahlen mit entgegenkommenden Strahlen kreuzen, besteht daher nur eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass die Partikel miteinander wechselwirken. In der Praxis bewegen sich die Trauben weiter entlang des Rings und treffen sich wieder. Das hohe Vakuum im Teilchenbeschleuniger (10-11 mmHg) ist notwendig, damit die Teilchen viele Stunden zirkulieren können, ohne mit Luftmolekülen zu kollidieren. Daher werden die Ringe auch als Akkumulatoren bezeichnet, da die Bündel tatsächlich mehrere Stunden darin gelagert werden.
Registrieren
Teilchenbeschleuniger können größtenteils registrieren, was wann passiertwenn Partikel auf ein Ziel oder einen anderen Strahl treffen, der sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt. In einer Fernsehbildröhre treffen Elektronen aus einer Kanone auf einen Leuchtstoff auf der Innenfläche des Bildschirms und emittieren Licht, wodurch das übertragene Bild wiederhergestellt wird. In Beschleunigern reagieren solche spezialisierten Detektoren auf gestreute Teilchen, aber sie sind normalerweise so konzipiert, dass sie elektrische Signale erzeugen, die in Computerdaten umgewandelt und mit Computerprogrammen analysiert werden können. Nur geladene Elemente erzeugen beim Durchgang durch ein Material, beispielsweise durch Anregung oder Ionisierung von Atomen, elektrische Signale und können direkt nachgewiesen werden. Neutrale Teilchen wie Neutronen oder Photonen lassen sich indirekt über das Verh alten der geladenen Teilchen nachweisen, die sie in Bewegung setzen.
Es gibt viele spezialisierte Detektoren. Einige von ihnen, wie der Geigerzähler, zählen einfach Partikel, während andere zum Beispiel zum Aufzeichnen von Spuren, zum Messen der Geschwindigkeit oder zum Messen der Energiemenge verwendet werden. Moderne Detektoren reichen in Größe und Technologie von kleinen ladungsgekoppelten Geräten bis hin zu großen drahtgefüllten gasgefüllten Kammern, die die von geladenen Teilchen erzeugten ionisierten Spuren erkennen.
Verlauf
Teilchenbeschleuniger wurden hauptsächlich entwickelt, um die Eigenschaften von Atomkernen und Elementarteilchen zu untersuchen. Von der Entdeckung der Reaktion zwischen dem Stickstoffkern und dem Alpha-Teilchen durch den britischen Physiker Ernest Rutherford im Jahr 1919, alle Forschungen in der Kernphysik bis hin zuDas Jahr 1932 wurde mit Heliumkernen verbracht, die beim Zerfall natürlicher radioaktiver Elemente freigesetzt wurden. Natürliche Alphateilchen haben eine kinetische Energie von 8 MeV, aber Rutherford glaubte, dass, um den Zerfall schwerer Kerne zu beobachten, sie künstlich auf noch größere Werte beschleunigt werden müssten. Damals schien es schwierig. Eine 1928 von Georgy Gamow (an der Universität Göttingen, Deutschland) durchgeführte Berechnung zeigte jedoch, dass Ionen mit viel niedrigeren Energien verwendet werden könnten, und dies regte Versuche an, eine Anlage zu bauen, die einen für die Kernforschung ausreichenden Strahl lieferte.
Andere Ereignisse aus dieser Zeit demonstrierten die Prinzipien, nach denen Teilchenbeschleuniger bis heute gebaut werden. Die ersten erfolgreichen Experimente mit künstlich beschleunigten Ionen wurden 1932 von Cockcroft und W alton an der University of Cambridge durchgeführt. Mit einem Spannungsvervielfacher beschleunigten sie Protonen auf 710 keV und zeigten, dass diese mit dem Lithiumkern zu zwei Alpha-Teilchen reagieren. Bis 1931 hatte Robert van de Graaff an der Princeton University in New Jersey den ersten elektrostatischen Hochspannungsgenerator mit Riemen gebaut. Cockcroft-W alton-Spannungsvervielfacher und Van-de-Graaff-Generatoren werden immer noch als Energiequellen für Beschleuniger verwendet.
Das Prinzip eines linearen Resonanzbeschleunigers wurde 1928 von Rolf Wideröe demonstriert. An der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule in Aachen verwendete er eine hohe Wechselspannung, um Natrium- und Kaliumionen auf doppelte Energien zu beschleunigendie von ihnen gemeldeten übersteigen. 1931 verwendeten Ernest Lawrence und sein Assistent David Sloan von der University of California, Berkeley, in den Vereinigten Staaten Hochfrequenzfelder, um Quecksilberionen auf Energien von über 1,2 MeV zu beschleunigen. Diese Arbeit ergänzte den schweren Teilchenbeschleuniger Wideröe, aber Ionenstrahlen waren in der Kernforschung nicht brauchbar.
Der Magnetresonanzbeschleuniger oder Zyklotron wurde von Lawrence als Modifikation der Wideröe-Anlage konzipiert. Der Schüler von Lawrence Livingston demonstrierte 1931 das Prinzip des Zyklotrons, indem er 80-keV-Ionen erzeugte. 1932 gaben Lawrence und Livingston die Beschleunigung von Protonen auf über 1 MeV bekannt. Später in den 1930er Jahren erreichte die Energie von Zyklotronen etwa 25 MeV und die von Van-de-Graaff-Generatoren etwa 4 MeV. 1940 baute Donald Kerst an der University of Illinois das erste Betatron, einen magnetischen Induktions-Elektronenbeschleuniger, indem er die Ergebnisse sorgfältiger Orbitalberechnungen auf das Design von Magneten anwendete.
Moderne Physik: Teilchenbeschleuniger
Nach dem Zweiten Weltkrieg machte die Wissenschaft der Teilchenbeschleunigung auf hohe Energien rasche Fortschritte. Es wurde von Edwin Macmillan in Berkeley und Vladimir Veksler in Moskau ins Leben gerufen. 1945 beschrieben beide unabhängig voneinander das Prinzip der Phasenstabilität. Dieses Konzept bietet eine Möglichkeit, stabile Teilchenbahnen in einem Kreisbeschleuniger aufrechtzuerh alten, wodurch die Begrenzung der Energie von Protonen aufgehoben und die Schaffung von Magnetresonanzbeschleunigern (Syncrotrons) für Elektronen ermöglicht wurde. Autophasing, die Umsetzung des Prinzips der Phasenstabilität, wurde nach dem Bau bestätigtein kleines Synchrozyklotron an der University of California und ein Synchrotron in England. Kurz darauf entstand der erste Protonen-Linearresonanzbeschleuniger. Dieses Prinzip wurde in allen seitdem gebauten großen Protonen-Synchrotrons verwendet.
Im Jahr 1947 baute William Hansen an der Stanford University in Kalifornien den ersten linearen Wanderwellen-Elektronenbeschleuniger unter Verwendung von Mikrowellentechnologie, die während des Zweiten Weltkriegs für Radar entwickelt wurde.
Fortschritte in der Forschung wurden durch die Erhöhung der Energie der Protonen ermöglicht, was zum Bau immer größerer Beschleuniger führte. Dieser Trend wurde durch die hohen Kosten für die Herstellung riesiger Ringmagnete gestoppt. Das größte wiegt etwa 40.000 Tonnen. Möglichkeiten, die Energie zu erhöhen, ohne die Größe der Maschinen zu erhöhen, wurden 1952 von Livingston, Courant und Snyder in der Technik der alternierenden Fokussierung (manchmal auch als starke Fokussierung bezeichnet) demonstriert. Synchrotrons nach diesem Prinzip verwenden 100-mal kleinere Magnete als bisher. Eine solche Fokussierung wird in allen modernen Synchrotrons verwendet.
Im Jahr 1956 erkannte Kerst, dass, wenn zwei Sätze von Teilchen in sich kreuzenden Umlaufbahnen geh alten wurden, sie beim Zusammenstoß beobachtet werden konnten. Die Anwendung dieser Idee erforderte die Akkumulation beschleunigter Strahlen in Zyklen, die als Speicherung bezeichnet werden. Diese Technologie ermöglichte es, die maximale Wechselwirkungsenergie von Teilchen zu erreichen.
