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Synchrotron 05:03 min

Textversion des Videos

Transkript Synchrotron

Hallo und herzlich willkommen. Ich zeige hier die Prinzipien des Aufbaus eines Synchrotrons und erkläre in Grundzügen seine Funktionsweise. Du solltest mit der Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern vertraut sein. Und wenn du das Video über das Zyklotron gesehen hast, dann hast du einen guten Teil der Funktionsprinzipien auch des Synchrotrons schon verstanden.  Im Video über das Zyklotron war erwähnt, dass es eine Weiterentwicklung gibt, das Synchrozyklotron, das man einsetzt, wenn man eine Energie größer als 20 Megaelektronenvolt, der dafür Protonen erzielen will, ab einem Gigaelektronenvolt Energie muss man sogar zum Synchrotron übergehen. Auch hier erfolgt die Beschleunigung durch elektrische Felder und die Einlenkung des Teilchens auf eine Bahn wird durch ein Magnetfeld erzwungen. Nur ist das Konstruktiv anders aufgebaut. Denn das Hauptstück ist ein großer Ringtunnel in der Form eines Donuts, das heißt geometrisch eines Torus, der zum Beispiel am Desy in Hamburg einen Umfang von 6,3 Kilometer haben kann. Um diesen Ringtunnel herum sind in regelmäßigen Abständen Elektromagneten installiert, die sich der Bogenform des Ringes anschmiegen. Das von ihnen erzeugte magnetische Feld lässt sich so steuern, dass man ganz gezielt Teilchen verschiedener Geschwindigkeiten und verschiedener Masse genau auf der Mittelachse des Torus entlang fliegen lassen kann. Zwischen den Abschnitten mit Magneten haben wir Anordnungen elektrischer Felder, ganz wie am Spalt des Zyklotrons. Durch sie werden die geladenen Teilchen, die in den Tunnel eingeschossen wurden, weiter beschleunigt. Jetzt ist es leicht verständlich, warum hier etwas synchronisiert werden muss, denn wenn wir die Teilchen beschleunigen, erhöhen wir ihre Geschwindigkeit. Also muss auch die Radialbeschleunigung steigen, wenn wir das Teilchen auf einer Kreisbahn wieder im gegebenen Radius halten wollen. Dass wir unsere Teilchen mit magnetischen Feldern auf einer Bahn halten, heißt natürlich, dass wir die Lorentzkraft einsetzen. Wir müssen also die magnetische Feldstärke erhöhen, wenn die Bahngeschwindigkeit V erhöht wurde, aber alle anderen Größen konstant geblieben sind. Tatsächlich müssen wir die Feldstärke oder den magnetischen Fluss sogar noch stärker erhöhen, als nur durch die Steigerung der Geschwindigkeit nötig wäre. Denn wir arbeiten hier ja bei Geschwindigkeiten, die so hoch sind, dass die relativistische Massenzunahme eine bedeutende Rolle spielt. Eben das hatte schon den Übergang vom einfachen Zyklotron zum Synchrozyklotron bestimmt. Und hier erst recht. Nun muss noch dafür gesorgt werden, dass die elektrischen Felder immer dann maximale Kraft auf die Teilchen ausüben und sie beschleunigen, wenn diese Teilchen durch die Zone des Feldes laufen. Das erreicht man natürlich am besten mit einer Wechselspannung, deren Kreisfrequenz gerade der Umlaufgeschwindigkeit der Teilchen entspricht und die also auch nachgeregelt wird, wenn die Teilchen schneller werden. Natürlich gibt es noch mindestens 2 Lücken im Torus, das heißt, der Ring ist nicht ganz geschlossen. Zum einen, damit Teilchen überhaupt hineingeschossen werden können und zum anderen, um in die Bahn der beschleunigten Teilchen ein Target halten zu können und den erwünschten Effekt, die Kollision der hochenergetischen Teilchen, mit ausgesuchtem Material herbeiführen zu können. Ein solcher Beschuss dient vorwiegend der Materialuntersuchung, aber in Abhängigkeit von der Energie der Teilchen, sehr häufig auch heute noch der gezielten Kollision von Elementarteilchen, an deren nachfolgendem Zerfall durch den Aufprall, man Studien über den Aufbau der Materie durchführt. In den 80er und 90er Jahren wurde mit einem solchen Gerät das W-Boson und das Top-Quark nachgewiesen. Kurz zusammengefasst besteht also das Synchrotron aus einem ringförmigen Tunnel, in den geladene Elementarteilchen eingeschossen werden, nachfolgend durch elektrische Felder schubweise beschleunigt werden und dabei von Magnetfeldern auf die Kreisbahn des Ringtunnels gezwungen werden. Synchrotron, also synchronisierend, heißt dieses Gerät, weil wir einerseits mit dem Anwachsen der Geschwindigkeit und der Zunahme der relativistischen Masse die Magnetfelder verstärken müssen, die die Radialkraft erzeugen, um die Teilchen auf ihrer Kreisbahn zu halten. Und andererseits ebenso die Wechselspannung der elektrischen Felder, die die Beschleunigung der Teilchen bewirken nachregeln müssen, wenn die Teilchen sich schneller auf diesem Ring bewegen. Wenn du ein bisschen neugierig geworden sein solltest, dann lohnt es sich, dass du dich ein bisschen informierst, über das Forschungszentrum Desy in Hamburg, das Forschungszentrum CERN in Genf in der Schweiz oder die Anlage Soleil in Frankreich. Bis zum nächsten Video.

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