Wozu werden Teilchenbeschleuniger eingesetzt?
Teilchenbeschleuniger wurden seit Beginn des vorigen Jahrhunderts entwickelt. Sie dienen in aller erster Linie zur Untersuchung der Struktur der Materie. Man könnte auch sagen: Die Physiker wollen mit Hilfe der Teilchenbeschleuniger herausfinden "was die Welt im Innersten zusammenhält". Beschießt man nämlich Materie mit energiereichen geladenen Teilchen, kommt es zu vielschichtigen Reaktionen der Materiebausteine mit den Geschossteilchen. So kann man z.B. aus der Streuung der energiereichen Geschosse indirekt Rückschlüsse über den mikroskopischen Aufbau der Materie gewinnen. Der Drang zu immer leistungsfähigeren Beschleunigern ist dadurch begründet, dass man mit möglichst energiereichen Geschossen immer kleinere Strukturen untersuchen kann.
Daneben werden spezielle Beschleuniger in der Medizin zur Bestrahlung von Tumoren eingesetzt; auch bei der Materialforschung verwendet man gelegentlich Beschleuniger.
Man kann mit den beschleunigten Teilchen ein festes Ziel (Target) beschießen (Target-Anordnung).
Oft wird auch dafür gesorgt, dass zwei Pakete beschleunigter Teilchen sich gegenseitig durchdringen. Hierbei ist die Trefferwahrscheinlichkeit geringer als beim Beschuss eines festen Targets. Dafür ist der Anteil der Bewegungsenergie, die in Anregungsenergie umgesetzt werden kann höher (Collider-Anordnung).
Teilchenenergien in eV und Übereinheiten
Die Bewegungsenergie von kleinen Teilchen wird üblicherweise nicht in Joule sondern in Elektronenvolt (eV) oder Übereinheiten von eV angegeben. Ein Teilchen, das eine Elementarladung trägt (e = 1,6·10-19As) hat die kinetische Energie 1eV, wenn es die Spannung 1 Volt durchlaufen hat.
Die Bewegungsenergie, welche geladene Teilchen nach dem Durchlaufen eines Beschleunigers erreichen, hängt von der Art und der Größe des Beschleunigers ab. Die größeren Beschleuniger arbeiten im Bereich von mehreren Gigaelektronenvolt (1GeV = 109eV). Die weltweit größten Anlagen erreichen sogar schon den Bereich Teraelektronenvolt (1TeV = 1012eV).
Wie kann man geladene Teilchen beschleunigen?
Die Beschleunigung der geladenen Teilchen erfolgt in elektrischen und magnetischen Feldern. In der Alltagssprache meint man mit einer Beschleunigung in der Regel eine Änderung des Betrags der Geschwindigkeit (hier: Geschwindigkeitszunahme) mit der Zeit. In der Physik spricht man allgemeiner von einer Beschleunigung, wenn sich der Geschwindigkeitsvektor mit der Zeit ändert. Dabei ist zu beachten, dass eine zeitliche Änderung des Geschwindigkeitsvektors nicht automatisch eine Zu- oder Abnahme des Geschwindigkeitsbetrags bedeutet.
Wie genau die Teilchen auf die sehr hohen Geschwindigkeiten gebracht und in den Kreisringen auf ihrer Bahn gehalten werden findest du in den beiden Grundwissenartikeln im Linkbereich.
Überblick über die Beschleunigertypen
Um Teilchen sehr hoher kinetischer Energie zu erzeugen müsste man sie nur genügend große Spannung durchlaufen lassen. Hier sind jedoch Grenzen gesetzt, da bei Spannungen im MV-Bereich Überschläge passieren und die Spannung zusammenbricht (Elektrostatische Beschleuniger).
Ein Ausweg besteht darin, dass man die Teilchen mehrmals hintereinander eine hohe Spannung durchlaufen lässt. Dies wird z.B. beim Hochfrequenz-Linearbeschleuniger oder aber auch beim Zyklotron realisiert.
Der Flächenbedarf von großen Linearbeschleunigern ist gewaltig (z.B. ist der SLAC-Beschleuniger 3km lang). Man setzt daher Magnetfelder ein, um die Teilchenbahn "umzubiegen" und dadurch die Platzbedarf für den Beschleuniger zu verkleinern. Bei den vielen verschiedenen Typen von Kreisbeschleunigern wird dies realisiert.
Allerdings tritt bei den Kreisbeschleunigern ein Phänomen auf, das den Energiezuwachs der Teilchen hemmt: Die auf Kreisbahnen beschleunigten Ladungen strahlen elektromagnetische Energie ab, so dass dem Energiezuwachs Grenzen gesetzt sind.
Für besonders Interessierte haben wir in den folgenden Abschnitten in Kurzform den Aufbau und - sehr vereinfacht - die Funktionsweise von einigen Beschleunigern dargestellt.