Teilchenquellen

Beschleuniger und Speicherringe - Teilchenquellen

Vor der Beschleunigung, Speicherung und den eigentlichen Experimenten mit hochenergetischen Teilchen steht deren Erzeugung. Im Folgenden werden eine Reihe von Möglichkeiten erklärt, wie die verschiedenen Teilchen (e^-, e⁺, p, n, Ionen uvm.) erzeugt werden können.
In den einfachsten Fällen handelt es sich dabei um Teilchen, die stabil sind und in der Natur in unbegrenzter Menge zur

Verfügung stehen. Sie lassen sich mit relativ einfachen technischen Mitteln freisetzen. Zu diesen leicht bereitstellbaren Teilchen gehören Elektronen (e^-), Protonen (p) und Schwerionen (z.B. Goldionen).
Elektronen werden üblicherweise in Braun`schen Röhren (vgl. Abb. rechts) durch Glühemission gewonnen.

Erzeugung von Elektronen mit der Braun`schen Röhre

Eine Braun'sche Röhre besteht aus einem evakuierten Glaskolben, in dem sich eine Glühkathode aus Wolfram, die durch einen elektrischen Heizdraht auf Temperaturen von über 1000°C erhitzt wird, befindet. Dabei treten die Elektronen als Ladungswolke aus der Oberfläche aus (sog. Glühemission). Zwischen der positiv geladenen Anode und der Glühkathode herrscht ein elektrisches Feld, in dem die Elektronen beschleunigt werden. Eine Blende lässt von den anfliegenden Elektronen nur ein Bündel mit bestimmbaren Durchmesser passieren - den eigentlichen Elektronenstrahl. Der Elektronenstrahl kann anschließend weiterbeschleunigt werden.
Die Braun'sche Röhre - wie sie z.B. in einem Kathodenstrahloszilloskop vorhanden ist - besitzt zwei Konden-

Skizze der Elektronenquelle einer Braun'schen Röhre

satorplatten, um den Elektronenstrahl abzulenken. Für die Erzeugung der Elektronen sind die Platten hingegen nicht von Bedeutung. Mit dem folgenden Java-Applet kann die Ablenkung eines Elektronenstrahls in einer Braun'schen Röhre simuliert werden. Entscheidend sind hierfür die Beschleunigungsspannung zwischen Glühkathode und Anode, sowie die Ablenkungsspannung an den Kondensatorplatten.

Java-Applet zur Braun'schen Röhre

Erzeugung von Ionen

Ionen werden aus Gasmolekülen erzeugt, die bei niedrigem Gasdruck in eine Kammer geleitet werden. In dieser Kammer herrscht ein starkes statisches elektrisches Feld oder hochfrequentes Wechselfeld. Durch das elektrische Feld werden einige der Valenzelektronen von den Molekülen abgetrennt und es entsteht ein Gemisch aus Elektronen und geladenen Ionen (Plasma). Mit Hilfe eines von außen angelegten elektrischen Feldes können die Ionen "abgesaugt" werden. Der Ionenstrahl wird anschließend beschleunigt und fokussiert.
Werden durch die Ionisation sehr viele Elektronen von den Gasmolekülen entfernt, sind die Ionen mehrfach positiv geladenen.

Mehrfach (n > 1) positiv geladene Teilchen erfahren in einem elektrischen Feld eine größere beschleunigende Kraft (F = Q^.E = ne^.E), als einfach (n = 1) geladene Teilchen (z.B. e^-, p).

Es ist daher günstiger, möglichst viele Elektronen pro Gasmolekül "abzutrennen".

Erzeugung von anderen geladenen Teilchen

Die große Zahl der meist sehr kurzlebigen Teilchen (z.B. Pionen, Müonen) muss künstlich erzeugt werden. Dies geschieht durch Kollision mit einem festen Target (engl. fixed-target) oder durch Kollision zweier Teilchenstrahlen. Aus der entstandenen Vielfalt von Teilchen werden die gewünschten Teilchen "herausgefiltert". Dies kann z.B. durch Unterscheidung nach ihrer Masse (unterschiedlich schwere Teilchen fliegen auf verschiedenen Bahnen durch Magnetfelder; Massenspektroskopie) geschehen.

Man macht sich auch die unter- schiedlichen mittleren Lebensdauern zu Nutze, in dem man einen Teilchenstrahl aus unterschiedlichen instabilen Teilchen nur weit genug (und damit lange genug) auf Bahnen lenkt, bis nur die Teilchen mit der längsten mittleren Lebensdauer übrigbleiben.
Meist ist die Anzahl der auf diese Weisen erzeugten Teilchen sehr gering. Daher sammelt und speichert man sie, bis eine ausreichende Zahl für weitere Experimente zur Verfügung steht (Speicherring

Einige Beispiele für die Erzeugung weiterer geladener Teilchen

Positronen können durch Kollision eines Elektronenstrahls mit einem Wolfram-Target erzeugt werden. (Positronen-LINAC )
Protonen werden durch Ionisation von Wasserstoffatomen erzeugt.
Antiprotonen können durch Kollision eines Protonenstrahls mit einem Beryllium-Target erzeugt werden.(Antiprotonen-LINAC )

Erzeugung von Neutronen

Für Experimente verwendet man heute hauptsächlich Neutronen aus Kernreaktoren. Aber auch mit Hilfe von Protonen-LINACs

können Neutronen durch Spallation gewonnen werden.

Neutronen werden in Beschleunigern nicht verwendet, da sie keine elektrische Ladung besitzen und so mit elektrischen Feldern nicht beschleunigt und mit magnetischen Feldern nicht abgelenkt werden können.