BeLL Katrin Kröger endgültig - Desy

1.6. Die Mikroskope der Teilchenphysiker – Teilchenbeschleuniger
Auch Teilchenphysiker führen Experimente durch – nur nicht in uns aus dem Alltag gewohnten
Maßstäben. Während das zu Untersuchende immer kleiner wird, wird der Aufwand größer.
Teilchenbeschleuniger an sich machen noch nicht das Experiment aus, sie kreieren den zu
untersuchenden Vorgang. Diese riesigen Maschinen sind nicht nur sehr teuer, sie erfordern auch
einen riesigen Aufwand bei Entwicklung und Konstruktion und dabei technische Pionierleistungen.
Beschleunigungsvorgang
Welche Vorteile Teilchen mit hohen Energien haben, wurde unter der Überschrift „Hohe Energien“
behandelt. Hier soll es darum gehen, wie der Energiezuwachs durch Beschleunigung umgesetzt wird.
Dazu gehören die zugrundeliegenden physikalischen Gesetze und die technische Realisierung.
Grundprinzip aller Beschleuniger ist die elektrische Anziehung von ungleich Geladenem, dies setzt
voraus, dass die zu beschleunigenden Teilchen eine elektrische Ladung besitzen. Für die
Beschleunigung von Neutronen wurden weitere Verfahren entwickelt.
Einer der alltäglichsten Teilchenbeschleuniger ist die Braun’sche Röhre, die in vielen Fernsehern
Anwendung findet bzw. fand (momentan abgelöst durch z.B. Plasmafernseher). Diese dürfte aus dem
Physikunterricht bekannt sein 11 . Das Elektron durchläuft hier eine einzige Beschleunigungsstrecke bei
Gleichspannung, in der es die Endgeschwindigkeit erreicht.
Theoretisch ist eine Reihenschaltung von solchen Braun’schen Röhren, die mit Gleichspannung
betrieben werden, möglich. Nun ist der ständigen Beschleunigung von Teilchen durch
Gleichspannung aber eine Grenze gesetzt: Gleichspannungen können mit speziellem Aufwand
maximal bis zur Größenordnung von einigen Dutzend Millionen Volt stabil gehalten werden. Diese
Spannung reicht nicht aus, um die Teilchen auf die gewünschte Geschwindigkeit zu bringen.
Außerdem treten bei diesen Geschwindigkeiten relativistische Effekte auf. Mit der relativistischen
Massenzunahme ist immer mehr Energie zur Beschleunigung erforderlich, die Gleichspannung erst
recht nicht erzeugen kann.
Die Lösung des Problems besteht in der Verwendung von Wechselspannung.
Die meisten heute benutzten kleinen Niederenergie-Linearbeschleuniger beruhen auf einem Prinzip
von Rolf Wideroe (1902-1996), er entwickelte den Hochfrequenz-Linearbeschleuniger.
Tritt ein Teilchen aus der Teilchenquelle aus, wird es im Spalt beschleunigt. Dann tritt es in die
feldfreien metallenen (Stichwort Faradaykäfig) Driftröhren, die eine Zylinderform besitzen, ein.
Während der Zeit, die es in der Driftröhre verbringt, polt die Spannung um, sodass es nun erneut
beschleunigt wird. Dieser Vorgang wiederholt sich beliebig oft, bis die gewünschte Geschwindigkeit
erreicht wurde.
11 siehe Sächsisches Staatsministerium für Kultus: Lehrplan Gymnasium Physik, S. 37: in „Lernbereich
4: Geladene Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern“ „Übertragen mechanischer
Grundkenntnisse auf die Bewegung geladener Teilchen im elektrischen Feld“: […], (Energie im
elektrischen Feld: Braun’sche Röhre)“
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