Beschleuniger

Beschleuniger, Teilchenbeschleuniger. Anlage zur Beschleunigung von Elektronen, Protonen, Deuteronen, ct-Teilchen und schweren Ionen auf Energien von einigen hundert Kiloelektronenvolt (keV) bis zu einigen hundert Gigaelektronenvolt (GeV). An Beschleuniger können auch intensive sekundäre Strahlen von hochenergetische Gammaquanten, Neutronen, Pionen, Antiprotonen unter anderem erzeugt werden. Die Beschleunigung der Teilchen, die Stabilität der Teilchenbahnen und die Fokussierung des Teilchenstrahls im Beschleuniger bewirken elektrische und magnetische Felder. Der Beschleunigungsvorgang verläuft im Hochvakuum. In direkten Beschleuniger werden die Teilchen von einem elektrostatischen Feld, das durch Bandgeneratoren oder Kaskadenschaltungen erzeugt wird, beschleunigt. In zyklischen Beschleuniger erfolgt die Beschleunigung in Zyklen durch eine hochfrequente Wechselspannung. Bei Linearbeschleuniger liegen die Beschleunigungsstrecken, die die Teilchen jeweils in der richtigen Phase der Hochfrequenz passieren müssen, auf einer geraden Strecke. Linearbeschleuniger wurden bisher für Protonenenergien bis 800 Megaelektronenvolt (MeV) und für Elektronenenergien bis 20 GeV gebaut. Der einfachste Kreisbeschleuniger ist das Zyklotron. Es ist geeignet für Protonen, Deuteronen, a-Teilchen und schwere Ionen bis zu Energien von einigen 10 MeV je atomare Masseeinheit. Mit zunehmender Geschwindigkeit der Teilchen spielt die relativistische Massenzunahme eine Rolle, und die Umlauffrequenz wird kleiner. Deshalb wird beim Synchrozyklotron während des Beschleunigungsvorganges die Frequenz der Wechselspannung verringert. Mit diesem Beschleuniger erreicht man maximal 1 GeV Protonenenergie. Höhere Energien (10 GeV mit dem Synchrophasotron in Dubna, 76 GeV in Serpuchow, 500 GeV bei CERN und 1000 GeV in Batavia (USA)) werden mit Protonensynchrotronen erzielt, bei denen Frequenz und Magnetfeld zeitlich so anwachsen, dass sich ein konstanter Teilchenbahnradius ergibt. Einen großen Fortschritt beim Bau von Großbeschleuniger im GeV-Bereich brachte die Einführung der Strahlfokussierung durch alternierende Gradienten (AG-Prinzip) des magnetischen Führungsfeldes. Das Elektronensynchrotron arbeitet mit konstanter Frequenz, da sich die Elektronengeschwindigkeit bei hochrelativistischer Energien (annähernd Lichtgeschwindigkeit) nicht mehr ändert. Im Betatron, auch Elektronenschleuder genannt, werden Elektronen auf einer Kreisbahn durch ein elektrisches Wirbelfeld beschleunigt, das von einem ansteigenden Magnetfeld induziert wird (maximal erreichbare Energie 300 MeV). In Kollekte-Beschleuniger werden positive Ionen gemeinsam (kollektiv) mit einer negativen Raumladung eines Elektronen-Xinges beschleunigt. Der Ring wird in einem magnetischen Kompressor formiert, mit Ionen beladen und anschließend in axialer Richtung durch ein inhomogenes Magnetfeld beschleunigt. Beschleuniger mit Teilchenenergien bis zu einigen 10 MeV werden in der Technik (zum Beispiel Isotopenproduktion), in der Chemie (zum Beispiel Aktivierungsanalyse) und in der Medizin eingesetzt. Der Anwendungsbereich der Beschleuniger, der ihre Weiterentwicklung bestimmt, ist die Grundlagenforschung auf den Gebieten der Kern- und Elementarteilchenphysik; siehe auch Speicherring.

Beschleunigung: Quotient aus Geschwindigkeitsänderung und zugehöriger Zeit, genauer die Ableitung der Geschwindigkeit nach der Zeit; Zeichen a, SI-Einheit m/s2. Die Beschleunigung ist wie die Geschwindigkeit eine vektorielle Größe und kann in jedem Punkt der Bahn des beschleunigten Körpers in die Bahn- oder Tangentialbeschleunigung in Richtung der Bahntangente und in die dazu senkrechte Normal- oder Radialbeschleunigung zerlegt werden. Der Quotient aus der Änderung einer Winkelgeschwindigkeit und zugehöriger Zeit heißt Winkelbeschleunigung \ SI-Einheit rad/s2. Siehe auch Fallbeschleunigung, Bewegung.

Beschleunigungsspannung: Spannung U eines elektrischen Feldes, das Ladungsträger (Ladung Q, Masse m) beschleunigt. Die am Anfang vorhandene potentielle Energie UQ wird bei frei beweglichen Trägern vollständig in kinetischer Energie mv2/2 umgesetzt; die erreichbare Endgeschwindigkeit ist v = j2ÜQJm. Die Beschleunigungsspannung wird als Maß für die Teilchenenergie benutzt, Maßeinheit ist das Elektronenvolt (eV).