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Beschleuniger
und Speicherringe - Linearbeschleuniger
Die ersten Teilchenbeschleuniger, die entwickelt wurden
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besaßen eine gerade bzw. lineare Beschleunigungs- strecke. Man nennt diese Art von Beschleunigern daher auch Linear-
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beschleuniger oder auch LINAC (LINear ACcelerator, vom engl. accelerate (beschleunigen)).
Mit den ersten LINACs wurden ausschließlich Elektronen beschleunigt.
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Elektronen-LINAC
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Das LINAC-Prinzip wurde 1925 von dem Schweden Ising vorgeschlagen und drei Jahre
später von Rolf Wideröe durch Experimente bestätigt. In
den Jahren 1933/34 setzten Jesse Wakefield Beams und seine Mitarbeiter
an der Universität von Virginia die Entwicklung des LINACs mit ersten
Studien von
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Hohlleiterstrukturen (siehe
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fort. Gleichartige Untersuchungen wurden ab 1930 von William Webster Hansen
an der Stanford Universität durchgeführt, wobei erstmals Klystronröhren
als Treiber eingesetzt wurden.
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Aufbau und Funktionsweise
des Elektronen-LINACs
Folgende Grafik zeigt den Aufbau eines modernen Elektronen-LINACs:
In einer Teilchenquelle werden die Elektronen
aus einer Glühkathode emittiert (),
die meist im Pulsbetrieb läuft, d.h., dass eine beschleunigende
Spannung zwischen der Kathode und der Anode nur für einige Mikrosekunden
eingeschaltet wird, und nur innerhalb dieser Zeit Elektronen emittiert werden.
Danach werden die
Elektronen durch Runzelröhren
beschleunigt. Die ersten Elektronen-LINACs verwendeten noch Driftröhren
oder Van de Graaff-
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Generatoren .
Der Elektronenstrahl
wird zu Beginn durch lange zylindrische Spulen (Solenoidmagnete) fokussiert.
Erst wenn er höhere Energien erreicht hat, verwendet man die effektiveren
Quadrupolmagnete .
Am Ende des Beschleunigers
wird der Elektronenstrahl zu den einzelnen Experimenten hin abgelenkt. Die Endenergie
der Elektronen hängt von der Länge des Beschleunigers ab.
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Vergleich mit
Fernsehbildröhre
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Einen
Elektronen-LINAC kann man mit einer Fernsehbildröhre vergleichen. Diese Röhre
enthält eine Elektronenquelle und eine Beschleunigungsstrecke
(~20 kV). Der erzeugte Elektronenstrahl wird auf den Bildschirm gelenkt.
Der Bildschirm entspricht dem Experiment bzw. dessen Detektor am Ende des LINACs.
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Positronen-LINAC
Dieser
LINAC enthält zwei Beschleunigungsstrecken. Die erste entspricht der eines Elektronen-LINAC,
mit der Elektronen auf eine Energie von einigen 100 MeV beschleunigt werden.
Dann werden sie auf ein Wolframtarget (den sog. Konverter) geschossen.
Aus diesem treten die erzeugten Elektronen und Positronen aus, deren
Energie nunmehr etwa 10 MeV beträgt.
Nach dem Konverter ist ein zweiter
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LINAC installiert, der den Konverter als eine Art "Positronenkathode" benutzt
und dessen beschleunigenden elektrischen Felder im Vergleich zur ersten Strecke entgegengesetzt gerichtet sind.
Die positiv geladenen Positronen werden beschleunigt, während die
Elektronen abgebremst werden. Am Ende des Beschleunigers stehen somit ausschließlich
Positronen zur Verfügung.
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Auf der nächsten
Seite betrachten wir LINAC`s, die sogar Ionen beschleunigen können.
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