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Synchrotron

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Bild:Schéma de principe du synchrotron.jpg
Schema des Synchrotrons SOLEIL in Frankreich

Das Synchrotron ist ein Teilchenbeschleuniger, in dem geladene Elementarteilchen oder 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 Teilchen werden durch abhängig von der erreichten Energie nachgeregelte Magnetfelder auf eine in sich geschlossene Bahn geleitet und erreichen dabei Geschwindigkeiten v nahe der Lichtgeschwindigkeit c. Damit die Teilchen nicht durch Stöße mit Gasteilchen verlorengehen, liegt die komplette Bahn in einem Röhrensystem, in dem Vakuum, genauer Ultrahochvakuum, herrscht.

Meist wird am Anfang eine Glühkathoden-Elektronenquelle zur Erzeugung der initialen Elektronen verwendet, welche über eine elektrostatische Beschleunigungsstrecke die Elektronen in einen ersten Beschleunigungsring schießt(siehe Bild). In diesem werden die Elektronen bis zu einer Endenergie elektrodynamisch beschleunigt und dann im Synchrotronspeicherring (Durchmesser i.d.G.ö.v. 50 m) gespeichert. Die Elektronen werden so lange wie möglich im Speicherring gehalten bis sie durch Kollision mit Restgasmolekülen des UHV eine exponentiale Verminderung unter die verwertbare Dichte erfahren haben. Die für physikalische Untersuchungen benötigte Synchrotron-Röntgenstrahlung wird über sogenannte Wigglers oder Undulators ausgekoppelt. Ein Undulator hat den Vorteil, dass sein Emissionswinkel schmaler als beim Wiggler ist, es treten allerdings Harmonische der emmittierten Photonenenergie auf.

Da alle bisher gebauten Synchrotronringe waagrecht gebaut sind, ist die Synchrotronstrahlung in Richtung der Ringkrümmung, also horizontal polarisiert. Hierdurch eignet sich die Synchrotronstrahlung gut um magnetische Materialien mittels dicromagnetischer Untersuchung zu chraraterisieren.

Die lineare Polarisation kann mittels mechanischer Phasenverschiebung der Magnetisierungsregionen in einem Undulator in zirkulare Polarisation umgewandelt werden. Zirkulare Polarisierung ermöglicht höhere Kontraste bei der Untersuchung der Magnetisierungsregionen magnetischer Materialien.

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

Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): E_\mathrm{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 Abgabe von Synchrotronstrahlung nicht beachtet. Leichtere Teilchen sind bei gleicher Energie schneller (genauer: haben höhere relativistische Parser-Fehler (Das temporäre Verzeichnis für mathematische Formeln kann nicht angelegt oder beschrieben werden.): \gamma 

- Faktoren; da die Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit sind, ist der Geschwindigkeitsunterschied minimal) als schwerere Teilchen und strahlen daher stärker. Der Energieverlust durch diese Synchrotronstrahlung muss durch die elektrische Beschleunigung ausgeglichen werden. Deshalb erreicht man mit Elektronen in Synchrotrons meist nur ca. 10 GeV, höherenergetische Elektronen kann man leichter mit Linearbeschleunigern erzeugen. Protonenenergien hingegen sind in modernen Synchrotrons 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). Zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung verwendet man in der Regel Elektronen-Speicherringe.

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 das Synchrotron gelenkt werden.

Übersicht über einzelne Synchrotrone

Weblinks

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