Teilchenbeschleuniger

Ein Teilchenbeschleuniger ist ein Gerät, in dem geladene Teilchen (z.B. Elementarteilchen, Atomkerne oder ionisierte Atome, Moleküle und Molekülbruchstücke) durch elektrische Felder auf große Geschwindigkeiten beschleunigt werden, wobei je nach Teilchenart und Beschleunigertyp annähernd Lichtgeschwindigkeit erreicht werden kann. Die Teilchen erlangen dabei eine Bewegungsenergie (kinetische Energie), die einem Vielfachen ihrer eigenen Ruheenergie entspricht.

Große Beschleuniger werden in der Grundlagenforschung (Hochenergiephysik) quasi als Mikroskope eingesetzt, um mit den darin beschleunigten, hoch energetischen Teilchen die fundamentalen Wechselwirkungen von Materie zu untersuchen, und allerkleinste Strukturen aufzulösen. Man unterscheidet zwischen sog. Fixed-Target-Experimenten, bei denen ein feststehendes Target dem Teilchenstrom ausgesetzt wird, und Collider-Experimenten, bei denen zwei gegenläufige Teilchenstrahlen in einem Speicherring zur Kollision gebracht werden. Letztere haben den Vorteil, dass die gesamte Energie der Teilchen (hauptsächlich kinetische, aber auch die Ruhemasse selbst) für die untersuchten Prozesse zur Verfügung steht, während bei Fixed-Target-Experimenten aufgrund des Impulserhaltungssatzes die Kollisionsprodukte einen Nettoimpuls tragen, und damit stets ein beträchtlicher Teil der Energie als Bewegungsenergie erhalten bleibt (siehe auch Kinematik).

Bei dem Zusammenstoß werden die Teilchen aufgrund der typischerweise hohen Energien nicht nur gestreut, sondern vor allem auch neue Teilchen erzeugt. Der Nachweis der Kollisionsprodukte erfolgt dabei mit Teilchendetektoren.

Der weltweit größte Teilchenbeschleuniger, der LHC, entsteht derzeit im Europäischen Forschungsinstitut CERN bei Genf.

Neben ihrer Bedeutung für die Grundlagenforschung haben Teilchenbeschleuniger auch eine immer wichtigere Bedeutung in der Medizin und Materialforschung.

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Arten von Teilchenbeschleunigern

• mit geradliniger Beschleunigung
  • Linearbeschleuniger
  • Van-de-Graaff-Beschleuniger
  • Tandembeschleuniger
  • Cockcroft-Walton-Generator
  • Dynamitron
  • Kielfeld-Beschleuniger, Laser-Plasma-Beschleuniger (hohe Feldstärken durch eine mit Laser erzeugte Plasmastrecke)
• mit zyklischer Beschleunigung (Beschleunigung auf einer ringförmig geschlossenen oder spiralartigen Bahn)
  • Betatron
  • Zyklotron
  • Mikrotron
  • Synchrotron (z.B. Bevatron)
  • Speicherring

Anwendungsgebiete von Teilchenbeschleunigern

• Chemie: Massenspektrometer
• Physik: Kernphysik, Teilchenphysik, Kosmologie, Synchrotronstrahlung
• Medizin: Strahlentherapie
• Materialuntersuchung: Durchstrahlungsprüfung

Nebenprodukte der Beschleuniger

Ein „Abfallprodukt“ der Beschleuniger, die Synchrotronstrahlung, wird z.B. im HASYLAB beim DESY in der Materialforschung, zur medizinischen Diagnostik und anderem eingesetzt.

Ein Sonderfall der Synchrotronstrahlung ist der Freie-Elektronen-Laser.

Siehe auch

• Ionenstrahlung
• Beschleunigungsspannung
• Luminosität
• Schwerionenbeschleuniger
• Liste der Kernforschungsanlagen und Teilchenbeschleuniger
• Seltsame Materie

• http://reinhold.kainhofer.com/Physics/DESY/ - Moderne Beschleuniger- und Detektortechnik am Beispiel des Deutschen Elektronen-Synchrotrons