Was ist ein Synchrotron?

EIN Synchrotron ist ein Entwurf eines zyklischen Teilchenbeschleunigers, bei dem ein Strahl geladener Teilchen wiederholt durch ein Magnetfeld läuft, um bei jedem Durchgang Energie zu gewinnen. Wenn der Strahl Energie gewinnt, passt sich das Feld an, um die Kontrolle über den Pfad des Strahls zu behalten, wenn er sich um den Kreisring bewegt. Das Prinzip wurde 1944 von Vladimir Veksler entwickelt, wobei das erste Elektronensynchrotron 1945 und das erste Protonensynchrotron 1952 gebaut wurden.

Wie ein Synchrotron funktioniert

Das Synchrotron ist eine Verbesserung des Zyklotrons, das in den 1930er Jahren entwickelt wurde. In Zyklotrons bewegt sich der Strahl geladener Teilchen durch ein konstantes Magnetfeld, das den Strahl in einem spiralförmigen Pfad führt, und durchläuft dann ein konstantes elektromagnetisches Feld, das bei jedem Durchgang durch das Feld eine Erhöhung der Energie liefert. Diese Erhebung der kinetischen Energie bedeutet, dass sich der Strahl auf dem Weg durch das Magnetfeld durch einen etwas breiteren Kreis bewegt und eine weitere Erhebung erhält usw., bis er die gewünschten Energieniveaus erreicht.

Die Verbesserung, die zum Synchrotron führt, besteht darin, dass das Synchrotron anstelle von konstanten Feldern ein Feld anwendet, das sich in der Zeit ändert. Wenn der Strahl Energie gewinnt, passt sich das Feld entsprechend an, um den Strahl in der Mitte der Röhre zu halten, die den Strahl enthält. Dies ermöglicht ein höheres Maß an Kontrolle über den Strahl und die Vorrichtung kann so gebaut werden, dass sie während eines Zyklus mehr Energie liefert. 

Eine spezielle Art von Synchrotron-Design wird als Speicherring bezeichnet. Hierbei handelt es sich um ein Synchrotron, das ausschließlich zum Aufrechterhalten eines konstanten Energieniveaus in einem Strahl entwickelt wurde. Viele Teilchenbeschleuniger verwenden die Hauptbeschleunigerstruktur, um den Strahl auf das gewünschte Energieniveau zu beschleunigen, und übertragen ihn dann in den zu wartenden Speicherring, bis er mit einem anderen Strahl kollidieren kann, der sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Dies verdoppelt effektiv die Energie der Kollision, ohne zwei Vollbeschleuniger bauen zu müssen, um zwei verschiedene Strahlen auf das volle Energieniveau zu bringen.

Wichtige Synchrotrons

Das Cosmotron war ein Protonensynchrotron, das im Brookhaven National Laboratory gebaut wurde. Es wurde 1948 in Betrieb genommen und erreichte 1953 seine volle Stärke. Zu dieser Zeit war es das leistungsstärkste Gerät, das gebaut wurde, um Energien von etwa 3,3 GeV zu erreichen, und es blieb bis 1968 in Betrieb.

Der Bau des Bevatron im Lawrence Berkeley National Laboratory begann 1950 und wurde 1954 abgeschlossen. 1955 wurde mit dem Bevatron das Antiproton entdeckt, das 1959 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. (Interessante historische Anmerkung: Es wurde Bevatraon genannt, weil es Energien von ungefähr 6,4 BeV für „Milliarden von Elektronenvolt“ erreichte. Mit der Einführung von SI-Einheiten wurde jedoch das Präfix Giga- für diese Skala übernommen, sodass sich die Notation in änderte GeV.)

Der Tevatron-Teilchenbeschleuniger bei Fermilab war ein Synchrotron. Er war in der Lage, Protonen und Antiprotonen auf kinetische Energieniveaus von etwas weniger als 1 TeV zu beschleunigen und war bis 2008 der stärkste Teilchenbeschleuniger der Welt, als er vom Large Hadron Collider übertroffen wurde. Der 27 Kilometer lange Hauptbeschleuniger des Large Hadron Collider ist ebenfalls ein Synchrotron und kann derzeit Beschleunigungsenergien von etwa 7 TeV pro Strahl erreichen, was zu 14 TeV-Kollisionen führt.