Übersicht
In dieser Vorlesung wird der vereinfachte Aufbau und die Funktionsweise eines Synchrotrons erklärt, wobei insbesondere der Weg eines Elektrons durch das Gerät nachverfolgt wird.
Aufbau eines Synchrotrons
- Ein Linearbeschleuniger bringt Teilchen auf eine Anfangsgeschwindigkeit.
- Der Injektionsmagnet lenkt die Teilchen in den Ringbeschleuniger.
- Ablenkmagnete halten die Teilchen auf der Ringbahn.
- Fokussierungsmagnete stabilisieren und zentrieren die Teilchenbahn.
- Lineare Beschleuniger an den Rändern beschleunigen die Teilchen weiter.
- Der Injektionsmagnet ermöglicht auch das gezielte Verlassen der Teilchen aus dem Ring.
Ablauf der Elektronenreise
- Elektronen verlassen durch den glühelektrischen Effekt die Quelle.
- Drift-Röhren (wechselnd geladen, aus Metall) leiten Elektronen durch elektrische Felder.
- Im Inneren der Drift-Röhren herrscht kein elektrisches Feld; Beschleunigung findet nur beim Übergang zwischen Röhren statt.
- Drift-Röhren werden durch Wechselspannung umgepolt, damit das Elektron im richtigen Takt beschleunigt wird.
- Wegen steigender Geschwindigkeit müssen Drift-Röhren immer länger werden.
Bahnführung und Beschleunigung im Ring
- Das Elektron erreicht den Injektionsmagneten, wo die Lorentzkraft es in die Ringbahn lenkt.
- Ablenkmagnete erzeugen weitere Lorentzkräfte, um das Elektron auf Kreisbahn zu halten.
- Fokussierungsmagnete verhindern Abweichungen von der idealen Kreisbahn.
- Lineare Beschleuniger im Ring nutzen hochfrequente elektrische Wechselfelder zur weiteren Beschleunigung.
- Ein Ultra-Hochvakuum verhindert Kollisionen mit Gasmolekülen.
Kontrolle der Bewegungsparameter
- Elektrische Felder und magnetische Feldstärken müssen proportional zum Teilchenimpuls angepasst werden.
- Solange der Injektionsmagnet aus ist, bleibt das Elektron im Ring.
- Bei Erreichen eines bestimmten Impulses wird der Injektionsmagnet eingeschaltet, wodurch das Elektron den Ring verlassen und für Experimente genutzt werden kann.
Wichtige Begriffe & Definitionen
- Synchrotron — Teilchenbeschleuniger, der Teilchen auf Kreisbahnen mit synchronisierten Magnet- und Elektrofeldern beschleunigt.
- Injektionsmagnet — Elektromagnet, der Teilchen in den Ring lenkt oder aus dem Ring auskoppelt.
- Drift-Röhre — Metallzylinder zur Steuerung der Beschleunigungsphasen im Linearbeschleuniger.
- Lorentzkraft — Kraft, die auf bewegte Ladungen im Magnetfeld wirkt; bestimmt die Bahnkurve im Synchrotron.
Aufgaben / Nächste Schritte
- Wiederholen Sie die Funktionsweise der einzelnen Synchrotron-Komponenten.
- Lernen Sie die Begriffe und ihre Bedeutungen.
- Bereiten Sie sich auf Fragen zur Bahnsteuerung und Beschleunigungsprinzipien vor.