Welche Arten von Teilchenbeschleunigern gibt es?

Es gibt zwei Arten von Teilchenbeschleunigern:
Ringbeschleuniger und Linearbeschleuniger.

In diesen fliegen die Teilchen in Teilchenpaketen (engl. bunches) zusammengefaßt. Diese Teilchenpakete sind Gruppen aus sehr vielen Teilchen einer Sorte.

In Ringbeschleunigern werden die Teilchen in einem Kreis beschleunigt. Dort beschleunigt man die Teilchenpakete und fliegen diese auf einer Kreisbahn.

In Linearbeschleunigern werden die Teilchen auf einer geraden Strecke, also linear, beschleunigt. Hier werden die Teilchenpakete jedoch nur einmalig vom Anfang der Beschleunigerstrecke bis zu deren Ende beschleunigt, um dort eine Reaktion zu erzeugen.

Welche Arten von Experimenten gibt es?

Es gibt zwei Arten von Experimenten: Fixed-Target-Experiment und Colliding-Beam-Experiment.

Im Fixed-Target-Experiment werden die Teilchenpakete auf ein ruhendes Target geschossen. Dies kann z.B. in Linearbeschleunigern passieren, bei denen das zu untersuchende Objekt, also das Target, sich am einen Ende des Beschleunigers befindet und die Teilchenpakete über dessen gesamte Länge beschleunigt werden.

In Colliding-Beam-Experimenten werden Teilchenpakete gegeneinander geschossen. Dabei werden die Teilchen in den Paketen als Zielobjekte verwendet. Bei den entgegengesetzt fliegenden Teilchenpaketen handelt es sich meist um Teilchen entgegengesetzter Ladung. Warum dies so ist, wird später noch geklärt werden.

Wie werden die Teilchen in den Beschleunigern beschleunigt?

Bei den Teilchen, die in den Beschleunigern beschleunigt werden, handelt es sich um elektrisch geladene Teilchen. Dies liegt daran, daß sie in elektrischen Feldern eine Kraft erfahren, die sie beschleunigt und dabei ihre Energie erhöht. Ein Beispiel hierfür ist die Braunsche Röhre.

Vielleicht erinnerst Du Dich noch aus der Elektrizitätslehre daran: Liegt zwischen zwei Metallplatten eine Spannung an, bildet sich zwischen den Platten ein elektrisches Feld aus. Einem sich darin befindenden geladenen Teilchen wird durch dieses elektrische Feld  elektrische Energie zugeführt. Die Formel für die elektrische Energie lautet: E = qU (wobei E die Energie, q die Ladung des Teilchens und U die Spannung zwischen den beiden Metallplatten ist). Beträgt die Spannung 1 V, so erhöht sich auf dem Weg von der einen zur anderen Platte die Energie eines Teilchen mit der elektrischen Ladungsmenge Q = 1 um ein Elektronenvolt (1 eV).Hierbei wird die Energie in Form von Bewegungsenergie des Teilchens gespeichert.

Da Teilchen aber nicht schneller als das Licht werden können, also die sogenannte Lichtgeschwindigkeit nicht überschreiten können, wird die nicht mehr in Form von Bewegungsenergie speicherbare Energie bei sehr schnellen Teilchen in Form von Massenenergie gespeichert.

Daraus kann man folgern: Da die Ladung der Teilchen vorgegeben ist, muss man hohe Beschleunigungsspannungen anlegen, damit den Teilchen möglichst viel Energie zugeführt wird! Dies sieht man auch leicht über die Energieformel E=qU, wobei U die Beschleunigungsspannung ist.

Das folgende Bild zeigt eine vereinfachte Darstellung einer linearen Beschleunigungsstrecke, wie man sie bei einem Linearbeschleuniger vorfinden würde:

Um den zu beschleunigenden Teilchen höhere Energien zuzuführen, werden die Teilchen nicht nur durch ein einziges elektrisches Feld beschleunigt. Es werden statt dessen mehrere Felder hintereinander geschaltet, um dem Teilchen möglichst viel Energie zukommen zu lassen.

Um eine Vorstellung davon zu erhalten, wie das Beschleunigen von geladenen Teilchen funktioniert, kannst Du hier die Simulation eines Linearbeschleunigers starten.

Nach diesen allgemeinen Informationen zu den Teilchenbeschleunigern kannst Du nun auf der Seite Beschleunigerarten Näheres über die verschiedenen Beschleuniger erfahren.

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