Akademik

Sỵnchrotron

 

[zu englisch synchronic »synchron« und griechisch -tron, Suffix zur Bezeichnung eines Gerätes] das, -s/-e, auch -s, die heute führende Klasse ringförmiger Beschleuniger zur Beschleunigung von Teilchen auf relativistische (d. h. im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit nicht vernachlässigbar kleine) Geschwindigkeiten. Ursprünglich für die Elementarteilchenforschung entwickelt, werden sie heute auch in der Schwerionenforschung und zunehmend v. a. zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung eingesetzt. Allen Synchrotronen ist gemeinsam, dass die Teilchen in ihnen synchron mit der Schwingung der beschleunigenden Hochfrequenzspannung umlaufen. Voraussetzung dafür ist das Prinzip der Phasenstabilität (Synchrotronprinzip), das E. M. McMillan und W. I. Weksler 1945 unabhängig voneinander entdeckten (Phasenfokussierung). Es garantiert die Möglichkeit stabiler longitudinaler Schwingungen (Synchrotronschwingungen) der beschleunigten Teilchen bezüglich eines Sollphasenwinkels. Ebenso wichtig ist die transversale Stabilität, d. h. die Möglichkeit stabiler Schwingungen senkrecht zu einer Solllage der Teilchen. Nur wenn es einen Stabilitätsbereich um den idealen Ort eines Sollteilchens gibt, können die Teilchen im Synchrotron in vielen Umläufen auf die geforderte Endenergie beschleunigt werden, ohne die Synchronisation mit der Hochfrequenzspannung zu verlieren oder auf die Wand des nur wenige Zentimeter breiten Vakuumrohrs, in dem sie umlaufen, zu prallen. (Strahldynamik)

 

Die automatische Kompensation transversaler Strahlabweichungen bezeichnet man auch in der Teilchenoptik als Fokussierung; sie wird in Synchrotronen durch besondere Konfigurationen magnetischer Felder bewirkt. Infolge der Fokussierung führen die Teilchen im Synchrotron transversale Schwingungen um die Sollbahn aus, die nach dem Betatron, dem Beschleunigertyp, bei dem sie erstmals untersucht wurden, allgemein als Betatronschwingungen bezeichnet werden. Bei Ringbeschleunigern unterscheidet man zwischen Feldkonfigurationen mit schwacher und solchen mit starker Fokussierung. Schwache Fokussierung, sowohl in radialer als auch in axialer Richtung, wird mit Ablenkmagneten erzielt, deren magnetische Feldstärke in azimutaler Richtung konstant ist, in radialer Richtung aber mit zunehmendem Radius geringfügig abnimmt. Die Wellenlängen der resultierenden Betatronschwingungen sind in radialer und in axialer Richtung größer als der Bahnumfang. Diese Art der Fokussierung wurde bei allen frühen Betatronen, Zyklotronen und Synchrotronen angewendet. Im Gegensatz dazu haben alle modernen Synchrotrone starke Fokussierung, die darauf beruht, dass eine Kombination von hintereinander angeordneten sammelnden (fokussierenden) und zerstreuenden (defokussierenden) Linsen eine insgesamt fokussierende Wirkung hat. Im Synchrotron werden zur Fokussierung der Teilchen Quadrupolmagnete verwendet, die jeweils in der einen der beiden zur Strahlbewegung transversalen Richtungen (etwa der horizontalen) fokussieren, in der anderen (vertikalen) defokussieren und umgekehrt. Ein Strahl, der diese beiden Typen von Quadrupolmagneten abwechselnd durchläuft, wird daher in beiden transversalen Richtungen fokussiert. Der Fortschritt, der mit der starken Fokussierung erreicht wurde, ist eine starke Verkleinerung der Wellenlängen der Betatronschwingungen und damit implizit des nötigen Querschnitts der Vakuumrohre für die Teilchenstrahlen, was insgesamt den Bau kleinerer und billigerer Magnete erlaubte.

 

Ein charakteristisches Merkmal der Synchrotrone ist, dass die Teilchen in ihnen während des ganzen Beschleunigungsprozesses, bei dem die Energie und der Impuls der Teilchen zunehmen, praktisch auf derselben Bahn geführt werden (abgesehen von den Betatronschwingungen). Um dies zu ermöglichen, muss die Feldstärke aller Magnete während eines Beschleunigungszyklus linear mit dem Teilchenimpuls wachsen (Lorentz-Kraft). Daraus folgt unmittelbar, dass ein Synchrotron nur gepulst mit Teilchenpaketen betrieben werden kann, da Teilchenimpuls und Magnetfeldstärke immer zueinander passen müssen.

 

Im Elektronensynchrotron erreichen die Elektronen schon nach wenigen Umläufen die Nähe der Lichtgeschwindigkeit und haben dann gleich bleibende Umlauffrequenz, da sich bei der weiteren Beschleunigung nur noch ihre Energie, aber kaum ihre Geschwindigkeit ändert. Im Protonensynchrotron dagegen erreichen die Protonen wegen ihrer großen Ruhemasse erst bei sehr hohen Energien (viele 1 000 MeV) die Nähe der Lichtgeschwindigkeit. Da während des Beschleunigungsvorganges die Umlauffrequenz zunimmt, wird die Frequenz des beschleunigenden elektrischen Wechselfeldes laufend erhöht (Frequenzmodulation). Die Kreisbahn liegt in einer ringförmigen Vakuumröhre, in die die Teilchen nach Vorbeschleunigung durch einen Linearbeschleuniger eingeschossen werden. Die mit einem Synchrotron erreichbaren Teilchenenergien werden durch Strahlungsverluste infolge der Radialbeschleunigung begrenzt, da ein großer Teil der zugeführten Energie als Synchrotronstrahlung wieder abgegeben wird.