Helmholtz Forschungsakademie - Hessen für FAIR

Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger?

Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger?

Fangen wir ganz von vorne an und wenden uns zunächst den Teilchen zu, die mit Hilfe unseres Teilchenbeschleunigers in Bewegung gesetzt werden sollen. Diese werden in einer sogenannten Ionenquelle generiert, die damit ganz am Anfang unserer Beschleunigeranlage steht.

Damit ein Teilchen später beschleunigt werden kann, muss eine Kraft auf das Teilchen einwirken. Dafür eignet sich nur die elektromagnetische Kraft, was aber zur Folge hat, dass ausschließlich geladene Elementarteilchen wie Elektronen oder Protonen beschleunigt werden können. Will man aber eigentlich neutral geladene Atome beschleunigen, so bedeutet dies, dass man ihnen einen Teil oder sogar alle ihre Elektronen aus der Atomhülle wegnehmen muss. Die positive Ladung der Protonen im Atomkern wird dann nicht mehr durch die Elektronen ausgeglichen, was zur Folge hat, dass sich jetzt das Atom ebenfalls elektromagnetisch beschleunigen lässt. Dies bezeichnet man als Ionisation, denn das, was von dem ganzen Atom übrig bleibt, ist der positiv geladene Atomrumpf, das sogenannte Ion.

Für die verschiedenen Elemente wird auf unterschiedliche Ionenquellen zurückgegriffen. Im Zentrum einer jeden Ionenquelle steht eine Metallkammer, in der sich die Atome desjenigen Elements finden, aus denen der Teilchenstrahl generiert werden soll. Sie liegen entweder als Gas oder als Festkörper vor. Durch elektrische Energie werden dann mit einem Glühdraht oder im Rahmen einer Gasentladung, die einem Blitz bei einem Gewitter gleicht, Elektronen freigesetzt.

Ein Ion entsteht dann, wenn diese freien Elektronen mit einem Elektron in der Hülle eines Atoms zusammentreffen und dieses dabei aus der Hülle stoßen. So entstehen immer mehr freie Elektronen, die ihrerseits wieder mit anderen Atomen kollidieren und diese gleichfalls ionisieren. Ein solches Gemisch aus freien Elektronen und positiven Ionen bezeichnet man als Plasma, das durch die beschriebene „Elektronenstoßionisation“ entsteht.

Damit die Teilchen nun aber beschleunigt werden können, müssen sie den Plasmagenerator verlassen. Daher werden hohe elektrische Spannungen hintereinander angelegt, die die Ionen anstoßen und schon auf 0,2 Prozent der Lichtgeschwindigkeit, was mehr als zwei Millionen km/h entspricht, beschleunigen. Dabei durchlaufen sie zunächst einen Linearbeschleuniger, der die Teilchen auf einer langen, geraden Strecke beschleunigt. Innerhalb des Beschleunigers herrscht ein Vakuum vor, damit die beschleunigten Teilchen nicht von Luftmolekülen abgebremst oder gar abgelenkt werden. Doch auch untereinander stoßen sich die gleich geladenen Teilchen ab und scheren aus. Um gerade die Ablenkung und damit den möglichen Verlust der Teilchen zu verhindern, werden sogenannte Fokussierungsmagnete eingesetzt, die Teilchen im Rahmen einer geringen Toleranz auf ihrer Bahn halten. Da die Teilchen nun unglaublich schnell sind, werden extrem starke Magnete benötigt, um sie ausreichend abzulenken und zu fokussieren.

In Abhängigkeit von der Art der Teilchen und der Bauart des Beschleunigers können die Teilchen dann an einen Kreisbeschleuniger wie zum Beispiel ein Synchrotron weitergegeben werden, wobei hier noch stärkere Magnete dafür sorgen, dass die Teilchen in die richtige Bahn gelenkt werden. Ein Synchrotron hat den Vorteil, dass die Teilchen den Ring mehrmals durchlaufen, und damit über längere Zeit an sogenannten Beschleunigerstrecken mittels elektrischer Spannung beschleunigt werden können. Dabei können die Teilchen annähernd Lichtgeschwindigkeit erreichen, das sind etwa eine Milliarde km/h (genauer 1.079.252.848,8 km/h oder 299.792,458 km/s). Allerdings verlieren die beschleunigten Teilchen zum Beispiel durch die Ablenkung im Magnetfeld beständig an Energie, ein Prozess der passenderweise Bremsstrahlung genannt wird. Daher gilt es in Abhängigkeit von der Anwendung abzuwägen, welcher Beschleunigertyp sich besser eignet.

Sobald die Teilchen die gewünschte Geschwindigkeit erreicht haben, können sie zu den einzelnen Experimentierstationen geleitet werden, wo sie mit hoher kinetischer Energie auf andere Teilchen (die sogenannten targets) geschossen werden. Die Wechselwirkungen können dann registriert und ausgewertet werden.

Die bedeutendsten und bisweilen größten Beschleunigeranlagen, wie sie sich beispielsweise an der GSI und der künftigen FAIR-Anlage finden, dienen der Grundlagenforschung. Dabei geht es primär darum, anhand der hochenergetischen Teilchen die fundamentalen Wechselwirkungen von Materie zu untersuchen und allerkleinste Strukturen zu erforschen. Darüber hinaus finden Teilchenbeschleuniger aber auch in der Medizin ihren Einsatz, wenn es um die Bestrahlung von Tumoren geht. Denn die Ionen können nicht nur auf Materialproben wie dünne Metallfolien geschossen werden, sondern auch auf biologische Zellproben. All diese Anliegen werden in der Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR gebündelt und erweitert.

Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger?