Beschleuniger
und Speicherringe - Beschleunigungsbausteine
Die Beschleunigung
von Teilchen geschieht ausschließlich durch elektrische Felder. Elektrisch
geladene Teilchen (Ladung Q) erfahren im elektrischen Feld E eine Kraft F (F = QE), die
sie beschleunigt und ihre Energie erhöht.
Beschleunigung durch
elektrische Felder
Liegt
zwischen zwei Metallplatten eine Spannung U an, wird darin befindlichen geladenen Teilchen durch das elektrische
Feld E Energie zugeführt. Beträgt die Spannung
1 V, so erhöht sich die Energie eines Teilchens mit der elektrischen Ladung Q = e (Elementarladung e)
um ein Elektronenvolt (1 eV).
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"leichte Teilchen"
(Elektronen, Positronen)
"Leichte" Teilchen
(e- oder e+; Ruhe- masse 511 keV/c2
),
erreichen z.B. gegenüber Protonen (938 MeV/c2) schon bei wesentlich geringeren Beschleuni- gungsspannungen
relativistische Geschwindigkeiten
.
Liegt die Geschwindigkeit z.B. schon bei 99% der Lichtgeschwindigkeit (e- erreichen diese Geschwindigkeit bei einer Beschleu- nigungsspannung von etwa 3,2 MV), so führt eine weitere Energiezufuhr
durch das elektrische Feld, nicht mehr zu
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großen Geschwindigkeitszunahmen
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Teilchenphysiker sprechen üblicherweise lediglich von einer weiteren Energie- erhöhung,
ohne näher darauf einzugehen, "wo" oder "wie" die Energie vom Teilchen gespeichert wird.
Man kann auch von einer Zunahme der "relativistischen Masse" sprechen. Siehe dazu mehr im Kapitel über die Grundlagen der relativistischen Mechanik
.
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schwere Teilchen
(Protonen, Schwerionen)
Auf Grund ihrer großen
Masse erreichen weit schwerere Teilchen durch die Beschleunigung nicht so leicht relativistische
Geschwindigkeiten. Durch das elektrische Feld wird hier über einen weit größeren Energiebereich hinweg die Geschwindigkeit
der schweren Teilchen erhöht.
Durchfliegt z.B. ein
Proton eine Beschleunigungsspannung von 1 MV, beträgt seine Geschwindigkeit
gerade 4% der Lichtgeschwindigkeit, die Energie des Protons ist um
1 MeV erhöht worden .
Durchfliegt ein Goldatomrumpf
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(79fach positiv geladen, ~197fache Masse des Protons) die gleiche Spannung,
beträgt die Endgeschwindigkeit 2% der Lichtgeschwindigkeit. Die Energie
des Goldatomrumpfes hätte um 79 MeV zugenommen.
Da die Ladung der Teilchen nicht geändert werden kann, muss man
hohe Beschleunigungsspannungen erzeugen, damit den Teilchen möglichst
viel Energie auf einmal zugeführt wird.
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Van de Graaff Generator
Die
ersten Beschleunigerapparate erzeugten das zur Beschleunigung nötige
elektrische Feld unter Verwendung von Hochspannungsgeneratoren. Einer dieser
Generatoren ist der Van de Graaff Generator (Robert J. Van de Graaff 1930).
Bei diesem Generator werden durch ein umlaufendes Band aus isolierendem Material
elektrische Ladungen in eine isolierte Kugel transportiert und dort abgestriffen.
Mit diesen Generatoren können Spannungen von 5,1 MV erreicht werden. Einem
Elektron kann so auf einmal eine Energie von 5,1 MeV zu geführt
werden.
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Auf der nächsten Seite werden verbesserte Beschleunigungsbausteine vorgestellt.
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