Synchrotron

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Synchrotrons

Ein Synchrotron ist ein Teilchenbeschleuniger, in dem geladene Elementarteilchen, Elektronen, Protonen oder ionisierte Atome (Ionen) auf sehr hohe (relativistische) Geschwindigkeiten beschleunigt werden, wodurch die Teilchen sehr hohe kinetische Energien erhalten.

Zur Beschleunigung wird ein passend synchronisiertes hochfrequentes elektrisches Wechselfeld (Mikrowellen) verwendet. Die Elementarteilchen werden durch abhängig von der Teilchenenergie nachgeregelte Magnetfelder auf eine in sich geschlossene Bahn geleitet. Damit die Elementarteilchen nicht durch Stöße mit Gasteilchen verlorengehen, liegt die komplette Bahn in einem Röhrensystem, in dem Vakuum, genauer Ultrahochvakuum, herrscht.

Die maximale Teilchenenergie, die in einem bestimmten Synchrotron erreicht werden kann, ist abhängig von der maximalen magnetischen Feldstärke B, vom Radius r des Rings und von den Teilcheneigenschaften. Es gilt für hohe Energien näherungsweise

$E_{max} = r \cdot q \cdot B \cdot c$

wobei r der Radius des Synchrotronbeschleunigers, q die Ladung des beschleunigten Teilchens, B die magnetische Flussdichte der Ablenkmagneten und c die Lichtgeschwindigkeit ist. In der Formel ist keine Abhängigkeit von der Masse des Teilchens ersichtlich, allerdings wurde die Abstrahlung von Synchrotronstrahlung nicht beachtet. Leichtere Teilchen sind bei gleichen Energien schneller (genauer: haben höhere relativistische $\gamma$ - Faktoren; da die Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit sind, ist der Geschwindigkeitsunterschied minimal) als schwerere Teilchen und strahlen daher stärker, der Energieverlust durch Strahlung muss durch die elektrische Beschleunigung ausgeglichen werden. Deshalb erreicht man mit Elektronen in Synchrotrons meist nur ca. 10 G eV, höherenergetische Elektronen kann man leichter mit Linearbeschleunigern erzeugen. Protonenenergien hingegen sind in modernen Teilchenbeschleunigern hauptsächlich nach obiger Formel durch Radius und Magnetfeldstärke beschränkt.

Die in Synchrotrons beschleunigten Teilchen werden in der Regel dazu verwendet, um Kollisions- oder Targetexperimente durchzuführen (Teilchenphysik), oder um mit in einem Speicherring kreisenden Elektronen Synchrotronstrahlung zu erzeugen.

Synchrotrons können in der Regel die Teilchen nicht aus der Ruhe beschleunigen, so dass diese meist in einem Linearbeschleuniger oder Mikrotron vorbeschleunigt und dann in den Synchrotron gelenkt werden.

Siehe auch

ANKA (Angströmquelle Karlsruhe)
Advanced Photon Source in den USA
NSLS (National Synchroton Light Source) am Brookhaven National Laboratory, Long Island, USA
DESY (Forschungszentrum Deutsches Elektronen-Synchrotron)
Diamond (Diamond Light Source) South Oxfordshire, UK
Elektronen-Stretcher-Anlage (ELSA) Universität Bonn
CERN ((frz. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), das Europäische Kernforschungslabor)
GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH, Darmstadt)
COSY (Cooler Synchrotron im Forschungszentrum Jülich)
BESSY (Berliner ElektronenSpeicherringgesellschaft für SYnchrotronstrahlung)
DELTA Dortmunder Elektronen Speicherring Anlage
ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) in Grenoble
ELETTRA (ELETTRA Synchrotron Light Laboratory) in Triest, Italien
MAMI (Mainzer Microtron ^*) Johannes Gutenberg-Universität, Mainz
SOLEIL (Synchrotron SOLEIL) in GIF-sur-YVETTE, bei Paris, Frankreich
SPring-8 (Super Photon ring-8 GeV) in Japan
SLS (Swiss Light Source) am Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz
CLS (Canadian Light Source)
SSLS (Singapore Synchrotron Light Source an der National University of Singapore)

Weblinks

Beschleunigerphysik | Kristallographie | Physik

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