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Es gibt verschiedene Arten von Teilchenbeschleunigern. Dabei gibt es Unterschiede, wie die Elektronen beschleunigt werden. Entweder gradlinig wie im Linearbeschleuniger oder zyklisch wie in einem Ringbeschleuniger.
Auch hier gibt es einige verschiedenen Formen:
Gradlinige Beschleuniger:
Der Linearbeschleuniger:
Der Wechselspannungs-Linearbeschleuniger wurde von Gustav Ising vorgeschlagen und erstmals von Rolf Wideröe im Jahr 1928 aufgebaut. Diese Linearbeschleuniger werden aus vielen Beschleunigungselementen, den so genannten Driftröhren, aufgebaut. Zwischen den einzelnen Driftröhren befinden sich Spalten, in denen ein elektrisches Feld pulsiert, welches so getaktet ist, dass die Teilchen beim Durchflug von einem Element zum anderen immer mehr beschleunigt werden und somit ihre kinetische Energie in relativ kleinen Schritten zunimmt, während die Driftröhre selbst wie ein Faradaykäfig wirkt. So kann das Feld, während das zu beschleunigende Teilchen die Driftröhre passiert, umgepolt werden, so dass im Anschluss erneut ein beschleunigendes Feld auf das Teilchen wirkt. Auf diese Weise können Teilchen auf Energien beschleunigt werden, die mit einem einzigen Beschleunigungselement nicht zu erreichen sind.
Van-de-Graaff-Beschleuniger:
Der Van-de-Graaff-Beschleuniger ist ein Teilchenbeschleuniger, der mit einem Van-de-Graaff- Generator arbeitet. Dabei wird die Beschleunigungsspannung durch ein Endlosband erzeugt, auf welches, positive Ladungsträger aufgetragen werden. Später bei der Entladung an einer Terminalelektrode entsteht positives Potenzial welches mehrere Megavolt betragen kann.
Diese Hochspannung wird so aufgespaltet, dass ein elektrisches Feld entsteht. Nun werden Ionen von einer separaten Ionenquelle durch dieses Feld beschleunigt.
Ringbeschleuniger:
Zyklotron:
Ein Zyklotron besteht aus einem großen Elektromagneten, zwischen dessen Polen sich eine flache runde Vakuumkammer befindet. Im Inneren der Kammer sind 2 halbkreisförmige Metallkammern (Duanden, \"D\"s oder eng. Dees;) angeordnet, zwischen denen sich der Beschleunigungsspalt und die Ionenquelle befinden. Am Rand der Kammer ist meist ein Ablenkkondensator angebracht, der zur Herausführung des Teilchenstrahls auf ein bestimmtes Ziel dient.
Die Ionen der Ionenquelle werden durch eine Wechselspannung, die an den Duanden angelegt wird, beschleunigt. Dabei werden sie von der Kraft des elektrischen Feldes beschleunigt und von der Lorentzkraft des Magneten seitlich abgelenkt. So entsteht ein Halbkreis und sie verlassen kurzzeitig wieder das elektrische Feld. Dabei tritt die Wechselwirkung der Spannung ein und die Ionen gelangen nun wieder in ein elektrisches Feld des anderen Duanden.
Somit setzt sich die Beschleunigung fort, bis die Ionen abgelenkt werden und aus dem Zyklotron austreten können.
Synchrotron:
Ein Synchrotron ist ein Teilchenbeschleuniger, in dem geladene Elementarteilchen, Elektronen, Protonen oder ionisierte Atome auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden, wodurch die Teilchen sehr hohe kinetische Energien erhalten.
Zur Beschleunigung werden hoch frequentierte Mikrowellen verwendet. Die Elementarteilchen werden durch, abhängig von der Teilchenenergie, geregelte Magnetfelder auf eine in sich geschlossene Bahn geleitet. Damit die Elementarteilchen nicht durch Stöße mit Gasteilchen verloren gehen, liegt die komplette Bahn in einem Röhrensystem, in dem Ultrahochvakuum herrscht. Die maximale Energie der Teilchen basiert auf der maximalen Feldstärke, auf dem Radius des Ringes und auf den eigenen Eigenschaften des Atoms.
Für hohe Energien gilt:
Wobei : r = Radius des Synchrotronbeschleunigers
q = Ladung des Teilchens
B = magnetische Flussdichte der Magneten
c = Lichtgeschwindigkeit
Die in einem Synchrotron beschleunigten Teilchen werden in der Regel dazu verwendet, um Kollisions- oder Targetexperimente durchzuführen (Teilchenphysik), oder um mit in einem Speicherring kreisenden Elektronen Synchrotronstrahlung zu erzeugen.
Synchrotrons können in der Regel die Teilchen nicht aus der Ruhe beschleunigen, so dass diese meist in einem Linearbeschleuniger oder Mikrotron vorbeschleunigt und dann in den Synchrotron gelenkt werden.
Abbildung eines Synchrotronbeschleunigers
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