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Synchrotron


Teilchenbeschleuniger


Basiswissen


Ein Synchrotron beschleunigt Teilchen auf einer kreisähnlichen Bahn mit immer gleichen Radius: gerade Beschleunigungsstrecken wechseln dabei mit gebogenen Ablenkbereichen ab. Das Synchrotron ist damit ein Ringbeschleuniger.

Wozu dient ein Synchrotron?


Ein Synchrotron beschleunigt geladene und meist freie Elementarteilchen (z. B. Elektronen, Protonen) oder Ionen auf sehr hohe, sogenannte relativistische Geschwindigkeiten, das heißt nahe an der Lichtgeschwindigkeit. Prallen solche Teilchen mit hoher Geschwindigkeit auf einen anderen Körper (das Target), entstehen Trümmer, die man physikalisch untersucht. Zum anderen wird durch die ständige Ablenkung der geladenen Teilchen eine elektromagnetische Strahlung erzeugt, die wiederum physikalisch untersucht wird, die sogenannte Synchrotronstrahlung ↗

Der Aufbau eines Synchrotrons


Synchrotrone sind kreisähnliche Gebilde. Entlang der Kreislinie, dem Ring, wechseln sich lineare Beschleunigungsstrecken mit kürzeren Ablenkmagneten ab. Anders als bei einem Zyklotron oder Betatron bewegen sich die Teilchen also nicht auf einer Spiralbahn sondern sie durchlaufen immer wieder dieselbe kreisförmige Ringstrecke. Innerhalb dieser Strecke wird ein fast-Vakuum erzeugt, sodass die Teilchen nicht ungewollt mit Luftmolekülen kollidieren. Typische Synchrotrone haben Durchmesser von mehreren Zehnermetern über mehrere Kilometer (LHC).

Wie erfolgt die Beschleunigung?


Mit Hilfe von elektrischen Wechselfeldern mit einer sehr hohen Frequenz in geraden Teilstücken innerhalb der ringartigen Struktur.

Wie erfolgt die Ablenkung?


Durch sogenannte Ablenkmagnete, die zwischen den geraden Beschleunigungsstrecken liegen. Da die Teilchen mit jedem Durchgang durch eine gerade Beschleunigungsstrecke schneller werden werden, wächst auch ihre Zentrifugalkraft an den Stellen, an denen sie durch die Ablenkmagnete ihre Richtung ändern. Dadurch muss die Stärke der Ablenkmagneten ständig der wachsenden Geschwindigkeit angepasst werden.

Warum sind Synchrotrone so groß?


Synchrotrone erkennt man von außen meist an ihrer auffälligen ringartigen Architektur. Typische Synchrotrone haben Durchmesser einiger Zehnermeter (Soleil) über rund 100 Meter (DORIS/DESY) bis hin zu rund 9 Kilometern (LHC). Die beschleunigten Teilchen in einem Synchrotron bewegen sich quasi auf einer Kreisbahn und das mit sehr hoher Geschwindigkeit. Dort wo die Teilchen an den Ablenkmagneten ihre Richtung ändern, treten sehr hohe Zentrifugalkräfte, also Schleuderkräfte nach außen, auf. Diese Kräfte müssen von den Ablenkmagneten aufgebracht werden. Je größer der Durchmesser der Anlage ist, desto geringer sind auch die dazu nötigen Kräfte die die Ablenkmagnete aufbringen müssen. Das ist der Grund dafür, dass Synchrtrone einen oft sehr großen Durchmesser haben. Siehe als Beispiel für eine sehr große solche Anlage den europäischen LHC ↗