Synchrotron – Definition, Funktionsweise, Geschichte und Anwendungen

Das Synchrotron ist eine Verbesserung gegenüber dem Zyklotron, bei dem sich die Teilchen in einem spiralförmigen Muster bewegen. Ein Zyklotron verwendet ein konstantes Magnetfeld und ein angelegtes elektrisches Feld mit konstanter Frequenz. (Eines davon wird im Synchrozyklotron variiert). Beide Felder werden im Synchrotron variiert, um den Weg von einer Spirale zu einem Kreis zu ändern. Durch vorsichtiges Vergrößern der Felder, wenn die Teilchen an Energie gewinnen, kann die Breite der Kreisbahn gleich gehalten werden, da die Maschine die Teilchen beschleunigt. Dadurch kann die Vakuumkammer für die Teilchen ein großer dünner kreisförmiger Rohr-Torus (Donut-Form) sein. Es ist einfacher, einige gerade Abschnitte zwischen den Biegemagneten und einige gebogene Abschnitte innerhalb der Magnete zu verwenden, wodurch der Torus die Form eines Polygons mit runden Ecken erhält. Eine Bahn, die wie ein sehr großer Kreis wirkt, kann mit einfachen geraden und gebogenen Rohrsegmenten konstruiert werden, im Gegensatz zu der scheibenförmigen Kammer der zyklotronartigen Geräte. Die Form erfordert auch den Einsatz mehrerer Magnete, um die Teilchenstrahlen zu biegen. Gerade Abschnitte sind in Abständen um einen Ring herum für beide Hochfrequenzkavitäten erforderlich, und in Aufbauten der dritten Generation ist Platz für die Einführung von Energiegewinnungsvorrichtungen wie Wiggler und Undulatoren vorgesehen. Die meisten Synchrotrons verwenden zwei Arten von Magneten: Dipolmagnete zur Krümmung des Teilchenstrahls und Quadrupolmagnete zur Fokussierung des Strahls.

Die maximale Energie, die ein zyklischer Beschleuniger übertragen kann, wird typischerweise durch die Stärke des Magnetfelds (der Magnetfelder) und den minimalen Radius (maximale Krümmung) der Teilchenbahn begrenzt. Daher haben Physiker im Laufe der Zeit Beschleuniger mit größeren Magneten und größeren Kreisen gebaut, um höhere Teilchenenergien zu erreichen.

In einem Zyklotron ist der maximale Radius ziemlich begrenzt, da die Teilchen im Zentrum beginnen und sich spiralförmig nach außen winden. Daher muss die gesamte Bahn eine selbsttragende, scheibenförmige Vakuumkammer sein. Da der Radius begrenzt ist, wird die Leistung der Maschine durch die Stärke des Magnetfeldes begrenzt. Im Falle eines gewöhnlichen Elektromagneten wird die Feldstärke durch die Sättigung des Kerns begrenzt (wenn alle magnetischen Domänen in der gleichen Weise angeordnet sind, kann das Feld nicht weiter in einem praktischen Ausmaß erhöht werden). Die Anordnung des einzelnen Magnetpaares über die gesamte Breite des Gerätes begrenzt auch die wirtschaftliche Größe des Gerätes.

Synchrotrons überwinden diese Grenzen, indem sie ein enges Strahlrohr verwenden, das von viel kleineren und enger fokussierenden Magneten umgeben sein kann. Die Fähigkeit dieses Geräts, Teilchen zu beschleunigen, ist dadurch begrenzt, dass die Teilchen geladen sein müssen, um überhaupt beschleunigt zu werden, aber geladene Teilchen unter der Beschleunigung Photonen (Lichtteilchen) aussenden, wodurch sie Energie verlieren. Die Grenzenergie des Strahls ist erreicht, wenn die Energie, die durch die seitliche (Biege-)Beschleunigung verloren geht, die erforderlich ist, um den Strahlengang im Kreis zu halten, gleich der Energie ist, die bei jedem Zyklus hinzugefügt wird. Leistungsstärkere Beschleuniger werden gebaut, indem Wege mit großen Radien verwendet werden und indem zahlreichere und leistungsfähigere Mikrowellenhohlräume verwendet werden, um den Teilchenstrahl zwischen den Ecken zu beschleunigen. Leichtere Teilchen (z.B. Elektronen) verlieren beim Drehen einen größeren Teil ihrer Energie. Praktisch gesehen ist die Energie von Elektronen-/Positronenbeschleunigern durch diesen Strahlungsverlust begrenzt, während sie für die Dynamik von Protonen- oder Ionenbeschleunigern keine wesentliche Rolle spielt. Deren Energie ist streng durch die Stärke der Magnete und durch die Kosten begrenzt.

Die Teilchen werden entweder durch einen Linearbeschleuniger (linac) oder durch ein zwischengeschaltetes Synchrotron, das seinerseits von einem Linearbeschleuniger gespeist wird, mit beträchtlichen Energien in den Hauptring injiziert. Der "Linac" wird seinerseits von Teilchen gespeist, die durch eine einfache Hochspannungsversorgung, typischerweise ein Cockcroft-Walton-Generator, auf Zwischenenergie beschleunigt werden.

Die Partikel sind so ausgelegt, dass sie den Linac mit einer bestimmten Geschwindigkeit ("Injektionsgeschwindigkeit") verlassen und in das Synchrotron eintreten. Die Operatoren berechnen die magnetische Feldstärke, die benötigt wird, um die Teilchen mit der Injektionsgeschwindigkeit auf die Bahn des Synchrotrons zu lenken. Die Operatoren geben den Elektromagneten genügend Strom, um die richtige Menge an magnetischer Feldstärke zu erzeugen.

Ausgehend von dieser anfänglichen Magnetfeldstärke wird das Magnetfeld dann erhöht. Die Teilchen durchlaufen einen elektrostatischen Beschleuniger, der von einer hohen Wechselspannung angetrieben wird. Bei Teilchengeschwindigkeiten, die nicht in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit liegen, kann die Frequenz der Beschleunigungsspannung in etwa proportional zum Strom in den Biegemagneten gemacht werden. Eine feinere Regelung der Frequenz wird durch eine Servoschleife vorgenommen, die auf die Erkennung des Durchgangs der sich bewegenden Teilchengruppe reagiert. Bei Teilchengeschwindigkeiten, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, wird die Frequenz annähernd konstant, während der Strom in den Biegemagneten weiter ansteigt. Die maximale Energie, die den Partikeln (bei gegebener Ringgröße und Magnetanzahl) zugeführt werden kann, wird durch die Sättigung der Kerne der Biegemagnete bestimmt (der Punkt, an dem ein zunehmender Strom kein zusätzliches Magnetfeld erzeugt). Eine Möglichkeit, zusätzliche Energie zu erhalten, besteht darin, den Torus größer zu machen und zusätzliche Biegemagnete hinzuzufügen. Dadurch kann die Menge der Teilchenumlenkung bei Sättigung geringer sein und die Teilchen können energiereicher sein. Eine andere Möglichkeit, eine höhere Leistung zu erhalten, ist die Verwendung supraleitender Magnete, die nicht durch die Kernsättigung begrenzt sind.

Wenn die Teilchen ihre maximale Energie erreicht haben, werden sie aus dem Synchrotron herausgelenkt und auf ein Ziel gerichtet. Frühe Synchrotrons benutzten stationäre Ziele. Um die Energie einer Kollision zu verdoppeln, begannen die Physiker in den 1970er Jahren damit, statt nur einen Strahl und ein stationäres Ziel mit zwei in entgegengesetzter Richtung laufenden Teilchenstrahlen zu kollidieren. Um zwei Strahlen zu haben, die sich im Synchrontron in entgegengesetzte Richtungen bewegen, benutzten sie Teilchen mit gleicher Masse, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen. Zum Beispiel Elektronen und Positronen oder Protonen und Antiprotonen.

Eines der frühen großen Synchrotrons, das heute im Ruhestand ist, ist das Bevatron, das 1950 am Lawrence Berkeley Laboratory gebaut wurde. Der Name dieses Protonenbeschleunigers leitet sich von seiner Leistung ab, die im Bereich von 6,3 GeV liegt (damals BeV für Milliarden Elektronenvolt; der Name geht auf die Annahme des SI-Präfixes giga- zurück). Eine Reihe von schweren Elementen, die in der Natur nicht zu finden sind, wurden erstmals mit dieser Maschine erzeugt. An diesem Standort befindet sich auch eine der ersten großen Blasenkammern, in der die Ergebnisse der von der Maschine erzeugten Atomkollisionen untersucht wurden.

Ein weiteres frühes großes Synchrotron ist das am Brookhaven National Laboratory gebaute Cosmotron, das 1953 3,3 GeV erreichte. Das erste Synchrotron der Cornell University wurde vor 1950 mit einer Leistung von 300 MeV gebaut.

Bis August 2008 war das Tevatron am Fermi National Accelerator Laboratory in den Vereinigten Staaten das Synchrotron mit der höchsten Energie der Welt. Es beschleunigt Protonen und Antiprotonen auf eine kinetische Energie von etwas weniger als 1 TeV und lässt sie miteinander kollidieren. Der Large Hadron Collider (LHC), der am Europäischen Laboratorium für Hochenergiephysik (CERN) gebaut wurde, hat etwa die siebenfache Energie (so dass Protonen-Proton-Kollisionen bei etwa 14 TeV stattfinden). Er ist in dem 27 km langen Tunnel untergebracht, in dem früher der Large Electron Positron (LEP)-Collider untergebracht war, so dass er den Anspruch als größtes wissenschaftliches Gerät, das je gebaut wurde, aufrechterhalten wird. Der LHC wird auch schwere Ionen (wie Blei) bis zu einer Energie von 1,15 PeV beschleunigen.

Das größte ernsthaft vorgeschlagene Gerät dieser Art war der supraleitende Super-Collider (SSC), der in Texas gebaut werden sollte. Bei dieser Konstruktion wurden, wie bei anderen auch, supraleitende Magnete verwendet, die es ermöglichen, intensivere Magnetfelder ohne die Beschränkungen der Kernsättigung zu erzeugen. Sein geplanter Ringumfang betrug 87,1 Kilometer (54,1 mi) mit einer Energie von 20 TeV pro Protonenstrahl. Mit dem Bau wurde 1991 begonnen, er wurde jedoch 1994 abgebrochen. Das Projekt war schlecht verwaltet worden. Einige Leute sagen, dass das Ende des Kalten Krieges zu einer Änderung der wissenschaftlichen Finanzierungsprioritäten geführt habe, die zu seiner endgültigen Annullierung beigetragen habe.

Zwar gibt es immer noch Potenzial für noch leistungsfähigere Protonen- und Schwerteilchen-Zyklusbeschleuniger, aber es scheint, dass bei der nächsten Erhöhung der Elektronenstrahlenergie Verluste durch Synchrotronstrahlung vermieden werden müssen. Dies wird eine Rückkehr zum Linearbeschleuniger erfordern, jedoch mit Geräten, die wesentlich länger sind als die derzeit verwendeten. Gegenwärtig werden große Anstrengungen unternommen, um den International Linear Collider (ILC) zu entwerfen und zu bauen, der aus zwei einander gegenüberliegenden Linearbeschleunigern bestehen wird, einem für Elektronen und einem für Positronen. Diese werden bei einer Gesamtmassenschwerpunktenergie von 0,5 TeV kollidieren.

Die Synchrotronstrahlung hat jedoch auch ein breites Anwendungsspektrum (siehe Synchrotronlicht), und viele Synchrotrons der 2. und 3. Generation wurden speziell zu ihrer Nutzung gebaut. Die größten dieser Synchrotronlichtquellen der 3. Generation sind die European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Frankreich, die Advanced Photon Source (APS) in der Nähe von Chicago, USA, und SPring-8 in Japan, die Elektronen auf bis zu 6, 7 bzw. 8 GeV beschleunigen.

Synchrotrons, die für die Spitzenforschung nützlich sind, sind große Maschinen, deren Bau Dutzende oder Hunderte von Millionen Dollar kostet, und jede Strahllinie (an einem großen Synchrotron kann es 20 bis 50 geben) kostet im Durchschnitt weitere zwei oder drei Millionen Dollar. Diese Anlagen werden meist von den Wissenschaftsfördereinrichtungen der Regierungen entwickelter Länder oder durch die Zusammenarbeit zwischen mehreren Ländern einer Region gebaut und als Infrastruktureinrichtungen betrieben, die Wissenschaftlern von Universitäten und Forschungsorganisationen im ganzen Land, in der Region oder weltweit zur Verfügung stehen. Es wurden jedoch auch kompaktere Modelle entwickelt, wie z.B. die Compact Light Source.

• Hinweis: Im Falle von Kollisionen ist die angegebene Energie oft doppelt so hoch wie hier angegeben. Die obige Tabelle zeigt die Energie eines Strahls, aber wenn zwei gegenüberliegende Strahlen frontal aufeinander prallen, ist die Energie des Massenschwerpunkts doppelt so hoch wie die gezeigte Strahlenergie.

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