Kreisbeschleuniger: Das Betatron

Beschleuniger und Speicherringe - Kreisbeschleuniger

Das Betatron ist eine Weiterentwicklung des Zyklotrons. In ihm werden Elektronen beschleunigt. Während des Beschleunigungsvorgangs wird die Stärke des Magnetfeldes entsprechend der zunehmenden Teilchenenergie bzw. Teilchengeschwindigkeit gesteigert. Die Elektronen werden so auf einer festgelegten Kreisbahn gehalten.

Betatron Das erste Betatron wurde 1940 von Donald William Kerst an der Universität von Illinois gebaut. Es beschleunigte Elektronen auf eine Energie von 2,3 MeV. Zwei Jahre später wurde von Kerst ein Betatron realisiert, das Elektronen auf eine Energie von 20 MeV beschleunigen konnte.

Funktionsweise des Betatron

Der Aufbau des Betatrons ist dem des Zyklotrons ähnlich. Zwei Dipolmagnete erzeugen ein Magnetfeld. In diesem Magnetfeld befindet sich die Elektronenquelle. Die Beschleunigungs- bausteine des Zyklotrons, die Dees, werden nicht mehr benötigt.
Das zeitlich veränderliche Magnetfeld

erzeugt in Richtung des umlaufenden Elektronenstrahls ein elektrisches Feld. Dieses elektrische Feld beschleunigt die Elektronen.
Im Prinzip handelt es sich um eine Art Transformator, bei dem der Elektronenstrahl die "Sekundärwindung" darstellt (vgl. Abb. unten).

Um den Strahl auf einer Kreisbahn zu halten, muss das Magnetfeld einen bestimmten radialen Verlauf haben. Dieser Verlauf wird durch besondere Formgebung der Pole erreicht (siehe Skizze) und bewirkt eine Strahlfokus- sierung um die ideale Bahn. In diesem fokussierenden Feld führen die Teilchen senkrecht zur Bahn Schwingungen aus, die man als Betatronschwingungen bezeichnet. Nach Erreichen der Endenergie werden die Elektronen durch elektrische oder magnetische Felder aus dem Betatron gelenkt.