Beschleuniger und Speicherringe - Beschleunigungsbausteine
Um den zu beschleunigenden Teilchen höhere Energien zuzuführen, wurden die Teilchen nicht nur durch ein einziges elektrisches Feld beschleunigt. Die
Teilchen sollten hintereinander viele kleine Spannungsdifferenzen ausnutzen.
Diese Überlegungen führten zum Bau von Driftröhrenstrukturen.
Driftröhren
Ein Teilchen wird zu einer ersten geladenen Röhre (Driftröhre) hin beschleunigt. Durchfliegt das Teilchen die erste Röhre, wird diese umgepolt. In der Röhre herrscht kein elektrisches Feld, so dass das Teilchen nicht beeinflusst wird. Zwischen der ersten und zweiten Röhre wird das Teilchen weiterbeschleunigt. Ist das Teilchen in der zweiten Röhre, wird wieder umgepolt, zwischen der zweiten und dritten Röhre wird das Teilchen wieder beschleunigt usw.
Die Teilchen werden immer schneller. Damit eine Wechselspannung mit konstanter Frequenz verwendet werden kann, muss die Länge der Röhren zunehmen. Die Teilchen durchfliegen so die Röhren immer beim Umpolen der
Spannung.
Haben die Teilchen annähernd Lichtgeschwindigkeit erreicht, bleibt die Röhrenlänge konstant, da die zugeführte Energie zu keiner wesentlich größeren Geschwindigkeitsänderung mehr führt.
Mausklick in linke Abbildung startet Video-Animation
Runzelröhren
Haben die Teilchen "fast" Licht- geschwindigkeit erreicht, ist ein anderer Beschleunigungsmechanismus effektiver.
Man sendet elektrische Hochfrequenz- wellen so in eine runde Metallröhre, dass ein beschleunigendes elektrisches Feld entsteht, das sich synchron zu den sich bewegenden Teilchen ausbreitet. Die Hochfrequenzwellen werden von sog. Klystrons erzeugt. Das Teilchen wird dadurch ständig beschleunigt, es "reitet" auf der elektromagnetischen Welle.
Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle (Lichtgeschwindigkeit!) größer ist als die der Teilchen ("fast" Lichtge- schwindigkeit), baut man in die Röhre Irisblenden ein (im Abstand einer halben
Wellenlänge), um diese zu "bremsen". So wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle an die der Teilchen angepasst.
Die gesamte Struktur besteht aus vielen solchen, durch Irisblenden getrennten Kammern und wird als Runzelröhre bezeichnet.
In Kreisbeschleunigern werden kurze Beschleunigungsstrecken benötigt , die aus einigen der rechts abgebildeten Kammern bestehen, man nennt sie Kavitäten.
Beschleunigung mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen
Ähnlich wie ein Surfer auf einer Wasserwelle reitet, "reiten" geladene Teilchen auf elektromagnetischen Wellen.
Teilchen, die sich näher an den Wellenbergen und -tälern befinden, erfahren einen größeren Energiezuwachs. Teilchen die sich näher an der "Wellenmitte" befinden, erfahren einen geringeren Energiezuwachs. Das ganze Teilchenbündel wird somit zusammengehalten, da - anschaulich gesprochen - bzgl. dem Mittelfeld eines Bündels die zurückfallenden Teilchen
angeschoben und die vorauseilenden Teilchen etwas gebremst werden. Mit dieser Technik kann z.B. in Elektronen- LINAC`s eine Energie von 15 MeV pro Meter (!) zugeführt werden.
In der rechten Abbildung sind zwei kurzzeitig aufeinanderfolgende Momentaufnahmen von Elektronenbündel in einer Runzelröhre dargestellt. Man erkennt, wie das Bündel vor der elektromagnetischen Welle "hergeschoben" wird.
Zum Abschluss dieser Seite kann man in folgender Animation den Beschleunigungsprozess durch elektromagnetische Wellen in der eben beschriebenen Modellvorstellung sehen:
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Wellenlänge), um diese zu "bremsen". So wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle an die der Teilchen angepasst.
