Teilchenbeschleuniger

Städtische Marian-Batko-Berufsoberschule München
Schuljahr: 1999/2000
Klasse: 13F
Alexander Markus Thomas
Facharbeit zum Thema:
Teilchenbeschleuniger
Die verschiedenen Teilchenbeschleuniger und deren Entwicklung
Fach: Physik
Fachlehrer: R. Weber
1

Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung 3
2. Physikalische Grundlagen 4
2.1. Untersuchung von subatomaren Strukturen 4
2.2. Beschleunigen von elektrisch geladenen Teilchen 4
2.3. Ablenkung von elektrisch geladenen Teilchen 5
2.4. Erzeugung von „neuen“ Teilchen durch die Einsteinsche Masse-Energie-
Äquivalents 5
2.5. Relativistische Effekte bei großen Teilchengeschwindigkeiten 6
2.6. Antiteilchen 6
3. Bausteine eines Teilchenbeschleunigers und deren Entwicklung 7
3.1. Quellen für geladene Teilchen 7
3.2. Beschleunigungsröhren 8
3.2. Detektoren 9
4. Die verschiedenen Bauformen von Teilchenbeschleunigern 12
4.1. Das Zyklotron 12
4.2. Das Synchrozyklotron 12
4.3. Das Synchrotron 12
4.4. Das Betatron 13
4.5. Der Linearbeschleuniger 13
5. Fortschritte in der Wissenschaft durch die Teilchenbeschleuniger 14
6. Schlußwort 16
7. Literaturverzeichnis 17
8. Erklärung 18
2

1. Einleitung
Diese Facharbeit soll einen kleinen Überblick über die Welt der Teilchenbeschleuniger
schaffen.
Dieses Thema ist sehr interessant, denn die Teilchenbeschleuniger haben unser
physikalisches Weltbild, in diesem Jahrhundert, so stark revolutioniert, wie ca. 300 Jahre
vorher die Erfindung des Teleskops, außerdem kenne ich mich selbst sehr gut mit den
Teilchenbeschleunigern aus, da dieses Thema seit langem interessiert, und ich schon viele
Bücher, die sich mit den Teilchenbeschleunigern und den Theorien die mit den
Teilchenbeschleunigern überprüft werden gelesen habe, des weiteren habe ich 1999 eine
Exkursion nach CERN mitgemacht, die sehr aufschlußreich und interessant war.
Viele Leute meinen in den Beschleunigungsanlagen würde es nicht mit rechten Dingen
zugehen, und die Wissenschaftler währen Magier, die gar Unheimliches tun. Daß dies
nicht so ist und die Teilchenbeschleuniger im Prinzip nur gigantische Mikroskope sind,
soll diese Facharbeit zeigen.
Um zu verhindern, daß diese Arbeit ausartet, und vom hundertsten in tausendste kommt,
werde ich mich auf die Ausarbeitung des Aufbaus, der Entwicklung seit dem ersten
Teilchenbeschleuniger und den verschiedenen heute verwendeten Beschleunigern
beschränken, außerdem kann ich wegen der Komplexität der physikalischen Theorien,
die mit den Teilchenbeschleunigern überprüft werden, auch nur einen Überblick dieser
Theorien geben.
Ich habe bei dieser Facharbeit zuerst meinen Wissenstand durch lesen der aktuellsten
Forschungsergebnisse aufgebessert, danach habe ich die mir am besten für diese Arbeit
erschienen Bücher zusammengelegt, und eine Skizze der Facharbeit entworfen. Nach
Zusammenstellung der wichtigsten Teilbereiche, ging ich daran die Teilbereiche
zusammenzuschreiben und sie auf Fehler zu überprüfen, erst zum Schluß ging ich daran
Bilder und Diagramme einzufügen.
Bei um an aktuelle Informationen zu gelangen benützte ich das Internet, diverse
wissenschaftliche Zeitschriften und Fachbücher, die ich mir damals direkt in CERN
gekauft hatte oder schon hatte.
3

2. Physikalische Grundlagen
Dieses Kapitel ist eine Einführung in die grundlegende Physik die einen
Teilchenbeschleuniger erst ermöglicht, sie soll nur einen Überblick über die
grundsätzlichen Mechanismen bieten.
2.1. Untersuchung von subatomaren Strukturen
Um in einem festen Körper Strukturen zu erkennen, die selbst mit den stärksten
Mikroskopen nicht mehr zu erkennen sind, muß man Teilchen nehmen die wesentlich
kleiner sind, als die Struktur, die man erforschen will. Heutzutage nimmt man Elektronen
oder Protonen und schießt sie auf ein sogenanntes Target, durch die Auslenkung die sie
nach dem austreten aus dem Target aufweisen, kann man auf die innere Struktur der
Materie schließen, so entdeckte E. Rutherford im 19. Jahrhundert den Atomkern, in dem
er eine sehr dünne Goldfolie mit Alpha-Strahlung (Kerne des Helium-Atoms) beschoß.
Will man aber noch kleinere Strukturen erforschen geht man einen anderen Weg: Man
Beschleunigt ein Teilchen sehr stark und führt einen Frontalzusammenstoß mit den
Teilchen des Targets herbei, dabei wird das getroffene Teilchen zersprengt, und man
erkennt an den Resten, die den Impuls des Projektils übernommen haben und somit in
„Schußrichtung“ aus dem Target austreten, wie das ursprüngliche Teilchen ausgesehen
hat, das ist mit einem Puzzle zu vergleichen, auf daß man schießt, und an den Teilen, die
danach entstehen, das ursprüngliche Bild wieder herstellen will.
2.2. Beschleunigen von elektrisch geladenen Teilchen
Um ein Teichen zu beschleunigen muß es elektrisch geladen sein, da es sich sonst nicht
beeinflussen läßt. Die Teilchen werden durch eine Reihe von elektrischen Feldern, in
Flugrichtung, beschleunigt. In den Beschleunigungsvorrichtungen ist eine Reihe von
Metallplatten angebracht, die abwechselnd positiv oder negativ geladen sind (siehe Abb.
2.1), die Platte „hinter“ dem Teilchen ist von gleicher Ladung wie das Teilchen, und die
vor ihm ist entgegengesetzt geladen, so daß es immer nach vorn beschleunigt wird. Die
Potentialunterschiede zwischen den Platten betragen meist mehrere tausend Volt und so
wird das Teilchen immer stärker beschleunigt, bis es, je nach hineingesteckter Energie,
bis zu 99% der Lichtgeschwindigkeit erreicht hat. Die bei dieser Geschwindigkeit
erforderliche hohe Frequenz der Wechselspannung, die an den Platten anliegt, muß sehr
genau abgestimmt werden, da sonst die Teilchen wieder abgebremst werden würden.
Auch zu beachten sind die relativistischen Effekte, die bei sehr hohen Geschwindigkeiten 1
auftreten (siehe 2.5.)
1 Ab 10% der Lichtgeschwindigkeit
2 Lucha, 1997, S. 83
(Abbildung 2.1: Protonen werden durch Feldplatten beschleunigt) 2
4

2.3. Ablenkung von elektrisch geladenen Teilchen
Um nun die Teilchen auf der Bahn zu halten, muß man sich starker Magnetfelder
bedienen, die die Teilchen mit Hilfe der Lorenzkraft wieder auf Bahn bringt, oder sie in
gewünschter Weise ablenkt (siehe Abb. 2.2), diese Magnetfelder müssen sehr stark sein,
da die Energie des Teilchens im Beschleuniger bereits sehr groß ist. Um nun so starke
Magnetfelder zu erzeugen, werden Supraleiterspulen eingesetzt, in denen der elektrische
Widerstand durch sehr tiefe Temperaturen ausgeschaltet wurde.
(Abbildung 2.2: Protonen werden durch einen Dipolmagneten abgelenkt) 3
2.4. Erzeugung von „neuen“ Teilchen durch die Einsteinsche Masse-Energie-
Äquivalents
Bei den hohen Energien, die man heutzutage verwendet, treten neue Phänomene auf, die
man ausnutzt. So entstehen nämlich bei bestimmten Energien neue Teilchen, die so in der
freien Natur nicht meßbar vorkommen, die aber benötigt werden, um die Theorien der
Wissenschaftler zu verifizieren. Und so ist es möglich, bestimmte Teilchen zu
beobachten, die in der Natur nur wenige Millisekunden nach dem Urknall frei auftraten.
Diese neuen Teilchen können „aus dem Nichts heraus entstehen“, weil Einstein 1905 4
festgestellt hat, daß Energie und Masse zwei Erscheinungsformen der gleichen Ursache
sind, und somit ineinander unwandelbar sind, und dies sagt die unscheinbare Formel
E=mc 2 aus. Aus diesen Erkenntnissen heraus hat man auch eine neue Einheit eingeführt,
das Elektronenvolt eV, das ist die Energie die ein Elektron hat, wenn es auf einer Strecke
von einem Meter mit der Spannung von einem Volt beschleunigt wurde. Und nun, da die
Massen in der Teilchenphysik so winzig sind, daß sie schwerlich in Gramm anzugeben
sind, wurden auch die Massen der entdeckten Teilchen in Elektronenvolt angegeben, so
besitzt das Proton zum Beispiel eine Masse von rund einem Gigaelektronenvolt (10 9 eV),
daß scheint viel, aber es sind Umgerechnet nur 1,78*10 -27 kg! Um nun ein Proton zu
erzeugen, muß man nur diese Energie auf einen Punkt von der Größe eines Protons
konzentrieren. Dies gelingt aber nur wenn man z.B. zwei Elektronen so beschleunigt,
daß die Gesamtenergie 10 9 eV beträgt, und sie frontal zusammenstoßen läßt, denn wenn
man die Elektronen auf ein Target auftreffen lassen würde, würde sich die Energie der
Elektronen im Target „verlaufen“, und für das Experiment verloren. Dabei kommt zur
kinetischen Energie der Teilchen auch noch die „Masse-Energie“ der Teilchen hinzu, im
Fall vom Elektronen 0,5MeV zusätzlich. Will man noch höhere Energien, so nimmt man
schwerere Teilchen, wie etwa Protonen mit 1GeV.
2.5. Relativistische Effekte bei großen Teilchengeschwindigkeiten
3 Lucha, S. 83
4 Nach Bültel, 1999
5

Aber man muß auch beachten, daß bei Energieberechnungen von Teilchen mit sehr hoher
Energie, die relativistischen Effekte mit einberechnet werden müssen. So kommt es, das
ein Teilchen mit 90% der Lichtgeschwindigkeit mehr kinetische Energie in sich hat, als es
der klassische Ansatz von Newton vorhersagt. Dadurch müssen die Beschleuniger an die
Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie angepaßt werden.
2.6. Antiteilchen
Um einen noch sauberen Stoß zu erzielen, greift man darauf zurück, daß man ein
Teilchen und sein Antiteilchen gegenläufig beschleunigt, und sie zusammenprallen läßt.
Das Teilchen reagiert mit seinem Antiteilchen, und erzeugen ein hochenergetisches
Photon, das seine große Energie, nach einiger Zeit, durch quantenphysikalische Effekte,
seine Energie abgibt, aus der neue Teilchen entstehen. (siehe 2.4.)
Antimaterie wurde das erste mal 1929 5 von P. Dirac in einer Theorie zur Vereinigung
von Einsteins Speziellen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik vorhergesagt, und
schließlich wurde 1932 das erste Antiteilchen nachgewiesen.
5 Nach Fraser, 1998, S. 44
6

3. Bausteine eines Teilchenbeschleunigers und deren Entwicklung
Teilchenbeschleuniger ist heutzutage riesige Apparaturen, aber auch hier haben die
Forscher einmal klein Angefangen. Um nun zu verstehen, wie sich die
Teilchenbeschleuniger entwickelt haben, muß man auch die Entwicklung der einzelnen
Komponenten ansehen.
Die Grundbausteine eines Teilchenbeschleunigers gleichen den Komponenten einer
Fernsehbildröhre.
(Abbildung 3.1: „Die Fernsehröhre. Sie enthält alle Grundbausteine eines Beschleunigers.“) 6
3.1. Quellen für geladene Teilchen
Es gibt verschiedene Quellen für geladene Teilchen, Diese sind je nach Teilchen
unterschiedlich.
Will man Elektronen beschleunigen, so verwendet man einen einfachen Glühdraht, wie in
einem Fernseher, aus dem Elektronen durch die Wärmeenergie ausgeschwitzt werden.
Diese Elektronen werden werden durch ein schwaches elektrisches Feld abgesaugt und
zur Beschleunigungsanlage transportiert. Will man Protonen beschleunigen, so muß man
erst Wasserstoffgas ionisieren, anschließend die Protonen und Elektronen durch ein
elektrisches Feld aussortieren und die Protonen, die wegen ihrer positiven Ladung zur
negativ geladenen Platte des felderzeugenden Kondensators gewandert sind, der
Beschleunigungsanlage zuführen.
Diese zwei Teilchenquellen waren am Anfang des 20. Jahrhunderts bereits bekannt, und
mußten nur durch ein paar Modifikationen verbessert werden, um in den
Beschleunigungsanlagen Verwendung zu finden.
Andererseits ist es oft besser, wenn man ein Teilchen und sein Antiteilchen (siehe 2.6)
miteinander reagieren läßt. Wenn man ein Teilchen und sein Antiteilchen gegenläufig
beschleunigt, und sie frontal miteinander Kollidieren läßt, annihilieren sie sich und die
Energie, die dabei frei wird, ist an einem Punkt, in einem Photon, konzentriert. Dieses
Photon kann nicht lange existieren, da es zu energiereich ist. Es zerfällt nach kurzer Zeit
in ein, oder mehrere Teilchen, deren Gesamtmasse gleich der Masse des Photons ist. Mit
diesen Stößen kann man den Wirkungsgrad der Kollision zusätzlich erhöhen. Aber
Antiteilchen kommen in der freien Natur nicht sehr lange vor, denn sie reagieren sehr
schnell mit normalen Teilchen, und wandeln sich in energiereiche Photonen um, deshalb
muß man Antiteilchen, erst künstlich erzeugen, und von normaler Materie fernhalten.
Positronen werden erzeugt, in dem erstmal normale Elektronen auf eine Blechplatte, z.B.
aus Wolfram geschossen werden, durch verschiedenste Wechselwirkungen in den
Atomkernen entstehen Positronen, diese müssen noch von den Elektronen durch ein
elektrisches Feld aussortiert werden, anschließend kann man die Positronen der
Beschleunigungsanlage zuführen. Antiprotonen werden nach dem gleichen Prinzip
6 Lucha, S. 76
7

erzeugt, dabei wird aber ein etwas anderes Target verwendet.
3.2. Beschleunigungsröhren
In den Beschleunigungsanlagen werden die Teilchen in den Beschleunigungsröhren auf
die erforderliche Geschwindigkeit gebracht. Am Anfang hat man einfach das Prinzip der
Kathodenstrahlröhre benützt, das Target wurde Positiv aufgeladen, und Elektronen
wurden von der Kathode auf des als Anode dienende Target geschossen, die Energien
wahren dementsprechend nicht sehr groß. Deswegen ist man dazu übergegangen, die
Elektronen - und andere Teilchen - zusätzlich in Beschleunigungsvorrichtungen zu
beschleunigen.
In den Beschleunigungsvorrichtungen muß man zwischen teilchenführenden und
beschleunigenden Bauteilen unterscheiden. Bei den beschleunigenden Bauteilen handelt
es sich immer um Bauteile, die ein elektrisches Feld aufbauen, das die Teilchen
beschleunigt (siehe auch 2.1). Die erste Konzept eines beschleunigenden Bauteils war
das eines Strahlentransformators, das 1926 von R. Wideröe veröffentlicht wurde. „Die
Analogie zum Transformator bestand darin, die Sekundärwicklung eines Transformators
durch eine ringförmige Hochvakuumelektronenröhre zu ersetzen und die Elektronen in
dem dort (durch das zeitlich veränderliche Magnetfeld) induzierten elektrischen
Wirbelfeld zu beschleunigen“ 7 (siehe Abb. 4.3) Dieses Konzept war zwar sehr
erfolgversprechend, aber damals gab es einfach noch nicht die technischen Möglichkeiten
einen Elektronenstrahl magnetisch zu fixieren, die magnetischen Felder waren zu
inhomogen und die Elektronen luden die Röhrenwände auf, was den Strahl zusätzlich
ablenkte, deshalb war das Konzept in experimenteller Hinsicht ohne Erfolg. Danach
wurde von R. Wideröe das Konzept des schwedischen Wissenschaftlers G. Ising
aufgegriffen, nach dem positiv geladene „Ionen in einer linearen Hochvakuumröhre,
indem sie sozusagen auf der Vorderseite einer über mehrere Elektroden zugeführten
Wanderwelle reiten, starke Beschleunigungen erfahren“, und vereinfacht. Er nahm nur
eine einzige Röhrenelektrode, an die er eine elektrische Wechselspannung anlegte, die
dafür sorgen sollte das die Ionen beim Eintritt in die Röhre und beim Austritt eine
Beschleunigung erfahren. Man konnte damals aber nur sehr schwere Ionen verwenden,
wie etwa Natrium oder Kalium, da die damals möglichen Frequenzen eher bescheiden,
und die Länge der Röhren begrenzt waren. Kleine und leichte Teilchen wären nämlich
einfach schon durch die Röhre durch geflogen, und währen von hinteren Ende der Röhre
wieder abgebremst worden. Heutzutage verwendet man statt vieler Röhrenelektroden
sogenannte Hohlraumresonatoren, die einem halboffenen Schwingkreis entsprechen.
(Abbildung 3.2: „Elektronisches Ersatzschaltbild für einen Hohlraumresonator“) 8
Nach dem man nun auch immer größere Energien in die Teilchen steckte, war es nun
auch erforderlich den Teilchenstrahl zu fokosieren, da sonst der Großteil der Teilchen an
die Wand des Beschleunigers fliegt und somit verloren währe. Diese Fokosierung
erreichte man durch teilchenführende Bauteile. Ein solches Bauteil sind die
7 Kaiser, 1999
8 Lucha, S. 80
8

magnetischem Linsen, die sogenannten Quadrupole. In den Quadrupolen sind vier
Magneten zu jeweils 90°, so angeordnet, daß sich immer zwei gleiche Pole
gegenüberstehen.
(Abbildung 3.3: „Quadrupol. In einer Richtung wirkt die Lorenzkraft fokossierend, in der anderen
defokossierend.“) 9
Die Teilchenbündel werden durch eine Anordnung von Quadrupolen, wie optische
Linsen wieder fokosiert, und damit wieder auf Kurs gebracht. Wie man dazu überging
Teilchen mehrmals in einer Beschleunigungsröhre zu beschleunigen, mußte man erst den
Teilchenstrahl biegen, so daß er auf einer Kreisbahn fliegt, dies erreichte man durch
einfache Dipolmagneten (siehe Abb. 2.2). Früher waren diese Ablenkmagneten noch
einfache Elektromagneten, denn Festmagneten können kein homogenes Magnetfeld der
brauchten Reinheit erzeugen, aber heutzutage verwendet man supraleitende
Magnetspulen, die einen viel höheren Wirkungsgrad haben, und außerdem können sie
stärkere Magnetfelder erzeugen.
3.3.Detektoren
Nachdem nun die Teilchen in einer Beschleunigungsvorrichtung auf die erforderliche
Energie gebracht wurden, werden sie in den Detektoren zur Kollision gebracht. Die
Detektoren messen heutzutage, den Impuls, die Masse, die Geschwindigkeit, die Ladung
und alles was es zu messen gibt. Die ersten Detektoren waren noch einfache
Blasenkammern, in denen ionisierte Teilchen eine Nebelspur in einer überhitzten
Flüssigkeit hinterlassen, die man auf Fotoplatten aufgenommen hat. Sie waren außerdem
in einem homogenen Magnetfeld eingebettet, dadurch konnte man die Ladung der
Teilchen, und deren Zerfallsprodukten, ihre Masse und ihrer Geschwindigkeit
bestimmen, dies ist möglich, da sich je nach Ladung, Masse und Geschwindigkeit eine
unterschiedliche Spiralbahn zeigte. Diese Messmethode ist so genau, daß sie bis in die
70´er Jahre, und mit einigen Verbesserungen sogar noch bis in die 80´er Jahre, bei den
großen Beschleunigungsanlagen Verwendung fand. Sie wurde aber durch die
Entwicklung der Computertechnologie durch elektronische Meßvorrichtungen abgelöst,
da es sehr mühsam war viele tausende Fotografien zu analysieren und miteinander zu
vergleichen, den nur circa einer von tausend Tests ist wirklich erfolgreich und zeigt ein
interessantes Ereignis. Mit den Computern ist es nun möglich Fehlschläge gleich
auszusortieren und sich eine Grobanalyse geben zu lassen.
Diese modernen elektronischen Meßeinrichtungen sind aus vielen verschiedenen
Sensoren zusammengesetzt, da ein Sensor allein nicht alle Größen messen kann, die
erforderlich sind. „Das Kernstück fast jeden Detektors ist ein Spurdetektor zur
Vermessung der Spuren der als Reaktionsprodukt entstandenen geladenen Teilchen. Die
Größe und Richtung des Impulses eines geladenen Teilchens werden von einem Satz von
9 Lucha, S. 81
9

Ortsdetektoren bestimmt, welche, wie früher schon die Blasenkammern, die Ablenkung
der Teilchenbahn in einem Magnetfeld messen. Einen solchen Satz von Ortsdetektoren
nennt man zusammen mit dem zugehörigen Magneten ein Spektrometer. Vervollständigt
wird das Experiment durch Geräte zur Identifizierung der Teilchen und zur Messung der
Energie neutraler Teilchen [...].“ 10 Hinzu kommen noch Cherenkov-Zähler 11 , die die
Geschwindigkeit geladene Teilchen identifizieren. Außerdem wird noch zwischen
Detektoren für Experimente mit einem unbeweglichen Ziel und Detektoren für
Kollisionsexperimente unterscheiden. Erstere haben eine Topfform und besitzen
zusätzliche Szintillationszähler, die die Anzahl der Teilchen die auf das Target treffen
messen. Letztere sind in einer Art Zwiebelstruktur um den Kollisionspunkt gebaut.
(Abbildung 3.4: Aufbau der verschiedenen Detektoren. Oben: Detektor für Experimente mit ruhenden
Target. Unten: Detektor für Kollisionsexperimente.) 12
Die einzelnen Sensoren in den Detektoren, sind so unterschiedlich konstruiert wie die
Größen die sie messen. Die Szintillatoren bestehen heute „[...] entweder aus
anorganischen Kristallen [...] oder aus in Plexiglas eingebettete organische Substanzen.“ 13
Sie erzeugen einen Lichtblitz, sobald ein Teilchen auf sie trifft, und werden verwendet
um nach Messung von Weg, Flugzeit und Energie der Teilchen bei interessanten
Ereignissen den Rest es Detektor auslesen zu lassen. Denn viele Sensoren haben eine
lange Leerlaufzeit nach der Messung, in der sie keine Daten sammeln können. Außerdem
kommen noch elektronische Spurenkammern zum Einsatz. Die ersten Spurenkammern
waren noch einfache Drahtkammern, in denen viele Drähte unterschiedlich geladen
nebeneinander aufgespannt werden. Wenn nun ein Teilchen die Kammer durchfliegt,
wird das Gas zwischen den Drähten ionisiert, und ein Funke kann von einem Draht zum
anderen überspringen. Dieser kurze Stromstoß wird angemessen und in Computern
ausgewertet. Diese Sensoren wurden noch ein etwas weiterentwickelt, aber schließlich
von den Vieldrahtproportionalkammern abgelöst, da sie nur schwache Signale liefern.
Außerdem konnte man an die Drähte nur bei der Messung eine hohe Spannung anlegen,
die nach jeder Messung wieder ausgebaut werden mußte. Daraus ergaben sich lange
Leerlaufzeiten.
Anders die Vieldrahtproportionalkammern, sie wurde aus dem Geiger-Müller-Zählrohr
10 Lucha, S. 114
11 Der Cherenkov-Effekt: Wenn ein Teilchen sich schneller als das Licht in dem Medium bewegt,
strahlt es einen Lichtkegel aus, um seine Geschwindigkeit zu verringern.
12 Lucha, S. 115f
13 Ebenda, S. 117
10

entwickelt, und funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Wenn ein Teilchen durch das
Zählrohr fliegt, ionisiert es das Füllgas im Inneren, es entstehen freie Elektronen, diese
werden nun von der Drahtanode im Inneren angezogen, ionisieren durch die starke
Anziehung weitere Atome und lösen somit eine Kettenreaktion aus, die ein deutlich
meßbares Signal liefert. Der Vorteil dieser Meßkammern liegt darin, daß man die Anlage
ständig unter Spannung betreiben kann, auch ist das Signal durch die Kettenreaktion
stärker.
(Abbildung 3.5: Links ist ein Zählrohr und rechts eine Vieldrahtproportionalkammer zu sehen.) 14
„Die heute meistverwendete Variante der Drahtkammer ist die Driftkammer. Sie besteht
aus drei Ebenen paralleler Drähte, die in einem gasgefüllten Raum aufgespannt und von
einem elektrischen Feld umgeben sind.“ 15 Driftkammern werden bevorzugt, da sie
einfacher aufgebaut sind, da die Drähte weiter voneinander entfernt sind. Werden nun
Elektronen durch ein ionisierenes Teilchen frei, driften sie zum nächsten Anodendraht,
und erzeugen ein Signal. Gemessen wird die Zeit, die die Elektronen gebraucht haben um
vom Ursprungsort zur Anode zu kommen, da die Elektronen mit konstanter
Geschwindigkeit driften ist es möglich, „[...] Teilchenspuren bis zu einer Genauigkeit von
etwa 50 μm zu lokalisieren.“ 16 Läßt man die Drähte weg, hat man eine
Zeitprojektionskammer. Bei dieser Kammer wird es aber erforderlich die Flugbahnen der
Elektronen mit einem Magnetfeld zu stabilisieren, da die Elektronen meterweit Driften
müssen. Diese Kammern bestehen „[...] je aus einer rechten und linken Hälfte mit
entgegengesetzter Feldrichtung, wobei der Detektor allerdings einige 10 kV
Spitzenspannung aushalten muß.“ 17
(Abbildung 3.6: Links ist eine Driftkammer und rechts ein Driftkammerstapel zu sehen, aus ihr hat sich
die Zeitprojektionskammer entwickelt.) 18
Ab den 80´er Jahren wurden auch immer mehr Halbleiterdetektoren eingesetzt, sie sind
sehr hochauflösende Ortsdetektoren. In ihnen werden ebenfalls Elektronen durch
elektrisch geladene Teilchen freigesetzt, die für einen kurzen Stromimpuls sorgen.
14 Lucha, S. 121f
15 Ebenda, S. 122
16 Ebenda, S. 123
17 Ebenda, S. 123f
18 Ebenda, S. 122, 124
11

4. Die verschiedenen Bauformen von Teilchenbeschleunigern
4.1. Das Zyklotron
Das erste Zyklotron, wurde 1932 von „[...] E. O. Lawrence zusammen mit S. Livingston
in Berkeley (USA) nach einer von Lawrence 1930 veröffentlichten Idee realisiert.“ 19
Das Zyklotron war eine Blechdose, die in der Mitte auseinander gesägt wurde. In dieser
„Dose“, werden schwere Teilchen beschleunigt, in dem man sie in ein homogenes
Magnetfeld bettet, und die beiden Hälften der Dose an eine elektrische Wechselspannung
konstanter Frequenz anschließt. Durch das Magnetfeld werden die Teilchen auf eine
Kreisbahn gezwungen, und die Polarität der beiden Hälften wechselt bei jedem
Durchgang. So gewinnen die Teilchen bei jedem Durchgang an Energie
(Geschwindigkeit), wobei die Teilchen sich in einer Spiralbahn nach außen bewegen. Ist
die maximale Energie (maximaler Radius) erreicht, so verlassen die Teilchen, durch eine
Öffnung, das Zyklotron und werden auf ein Target gelenkt.
Heute werden supraleitende Zyklotrone gebaut, die in der Medizin, „[...] z.B. für die
Neutronentherapie [...]“ 20 , eingesetzt werden.
4.2. Das Synchrozyklotron
Eine Weiterentwicklung des Zyklotrons ist das sogenannte Synchrozyklotron, hier wird
das elektrische Wechselfeld mit dem Umlauf synchronisiert, deshalb der Name. Mit
dieser Verbesserung wurde es wiederrum möglich noch höhere Energien zu erzeugen.
Das erste Synchrozyklotron wurde in dem erst gegründeten Kernforschungszentrum
CERN von W. Genter am Genfer See gebaut. „Das Synchrozyklotron lieferte schon am
1. August 1957 den ersten Strahl. GENTNERS Name ist der erste in der Liste der
Physiker, die im Protokollbuch den Vermerk der erfolgreichen Inbetriebnahme
unterschrieben haben.“ 21
Aber auch hier sind den Energien Grenzen gesetzt, da die Magnetfelder ab einer
bestimmten Feldstärke mit sich selbst wechselwirkt, und somit keine Homogenität mehr
gewährleistet ist. Außerdem kann man die Dose nicht grenzenlos vergrößern, da man
auch die Magneten nicht grenzenlos vergrößern kann.
(Abbildung 4.1: Ein Zyklotron, in dem ein Teilchen durch das Wechselfeld beschleunigt wird.) 22
4.3. Das Synchrotron
Da sich das Konzept der Zyklotrone bei höheren Energien als Sackgasse erwiesen hat,
ging man daran einen Linearbeschleuniger zu nehmen und ihn zu einen Kreis zu biegen.
Das Konzept eines Synchrotrons beruhte auf den Arbeiten von V. I. Veksler (1944) und
E. M. McMillan (1945) über Phasenstabilität und ermöglichte die Energie auf
theoretisch 8 MeV zu erhöhen. Das erste Synchrotron, wurde nach dieser theoretischen
Vorarbeit im August 1946 in den „General Electric Laboratory´s“ in Betrieb genommen
19 Guratzsch, 1999
20 Ebenda
21 Schmidt-Rohr, 1999
22 Lucha, S. 87
12

und lieferte eine Strahlenergie von 70 MeV 23 . Dabei werden die Teilchen durch
Ablenkmagneten zu einer Kreisbahn gezwungen, da ist sonst einfach, den Gesetzen der
Trägheit folgend, geradeaus weiterfliegen würden, und damit an die Wand der Röhre.
Nun ist ist es möglich geworden noch höhere Energien zu erreichen, da man, falls man
größere Energien braucht, einfach einen größeren Ring bauen, oder die Ablenkmagneten
austauschen kann.
Heutzutage werden Synchrotrone bis zu einem Umfang von 30 km gebaut.
4.4. Das Betatron
(Abbildung 4.2: Schematischer Aufbau eines Synchrotrons) 24
Beim Betatron, das ein Vorläufer der Linearbeschleuniger und Synchrotrone ist, griff
man auf das von von R. Wideröe entwickelte Konzept eines Strahlentransformators
zurück. Aber in Zuge der Weiterentwicklung des Betatrons hat sich gezeigt, das diese
Entwicklung eine Sackgasse ist, „[...] da bei höheren Energien Stabilitätsprobleme
auftraten.“ 25 Das Betatron wurde Anfang der Vierzigerjahre entwickelt und hat heute
noch eine sehr große Bedeutung in der medizinischen und technischen Forschung.
4.5. Der Linearbeschleuniger
(Abbildung 4.3: Schnitt durch ein Betatron) 26
Der Linearbeschleuniger wurde aus dem Betatron entwickelt, verwendete aber statt
Strahlentransformatoren eine Anordnung von gelochten Elektrodenplatten und
Hohlraumresonatoren (siehe Abb. 2.1 und 3.2). Bei einem Hochfrequenz-
Linearbeschleuniger muß die Beschleunigungsstrecke der Geschwindigkeit der Teilchen
angepaßt werden, d. h. In Flugrichtung wird der Abstand zwischen den Platten immer
größer.
Linearbeschleuniger haben heute neben den Synchrotronen eine sehr große Bedeutung
23 Nach Wilson, 1999, S. 1
24 Lucha, S. 88
25 Ebenda, S. 84
26 Ebenda, S. 86
13

ei den theoretischen Forschungen.
14

5. Fortschritte in der Wissenschaft durch die Teilchenbeschleuniger
Die Teilchenbeschleuniger haben es möglich gemacht, viele physikalische Theorien zu
bestätigen oder zu widerlegen. So wurde durch Teilchenbeschleuniger die Quantenphysik
mehr als bestätigt. Dazu muß man die Entwicklung in den Ergebnissen anschauen.
War die atomare Welt am Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts noch einfach aufgebaut,
man hatte Protonen, Neutronen und Elektronen, die ein Atom aufbauen, so zeigten sich
durch den Einsatz von Teilchenbeschleunigern bei jedem Experiment, neue Teilchen, die
scheinbar nutzlos waren, und Teilchen, die zur Bestätigung wichtiger Theorien gebraucht
wurden, konnten mit den damals üblichen Energien noch nicht erzeugt werden.
So wurde der Teilchenzoo, ein Begriff der sich damals Eingebürgert hat, immer größer.
Er zeigte auf, daß die Theorien noch unvollständig waren. Es wurde erforderlich die
neuen Teilchen, die man auch schon in der kosmischen Höhenstrahlung fand, zu
katalogisieren, und zu sortieren. Und dann zeigten sich erste Zusammenhänge. So wurde
von M. Gell-Mann 1964 27 vorgeschlagen, eine neue Teilchenklasse einzuführen, die
Quarks, aus denen alle Hadronen zusammengesetzt sein sollen. Anfangs ging man von
drei verschiedenen Quarks (up, down und strange) aus, aber mit der Zeit wurden drei
weitere Quarks (charm, bottom und top) eingeführt, um weitere Teilchen erklären zu
können. Es hat sich auch gezeigt, daß sich die Quarks in Gruppen zu je zwei Vertretern
einsortieren lassen, diese Gruppen bilden mit den Fermionen Familien, so stehen das Upund
Down-Quark dem Elektron und Elektronenneutrino gegenüber, so auch in den
anderen Gruppen.
Auch in einer anderen Richtung wurden durch die Teilchenbeschleuniger enorme
Fortschritte erzielt. Seit die vier Grundkräfte (elektromagnetische Wechselwirkung,
schwache- und starke Kernkraft und Gravitation) entdeckt wurden, versuchte man sie zu
einer Urkraft zu vereinigen, allein die gleiche Struktur der Terme zur Berechnung der
elektromagnetischen Wechselwirkung und der nichtrelativistischen Gravitation legen dies
nahe. Aber die Vereinigung dieser beiden Kräfte blieb ohne Erfolg, da die Gravitation,
wie durch Einstein gezeigt, eine völlig andere Struktur als der Elektromagnetismus hat.
Danach ging man daran, die anderen Kräfte, die man inzwischen entdeckte, mit dem
Elektromagnetismus zu vereinigen. Den ersten erfolgreichen Schritt zu einer Vereinigung
vom Elektromagnetismus hat 1956 28 J. Schwinger durch die Vorstellung einer
elektroschwachen Kraft getan. Die Idee war folgende, Elektromagnetismus und
schwache Kernkraft sind zwei verschiedene Erscheinungsformen der gleichen Urkaft.
Diese Theorie erforderte drei zusätzliche Teilchen, das W + , W - und das Z 0 Teilchen. Das
Z 0 -Teilchen wurde schließlich 1983 29 in CERN entdeckt. Es wurden auch die
Wechselwirkungen zwischen Quarks untersucht, und festgestellt, daß Quarks niemals
ungebunden auftreten können. Es war erst nicht klar wie dieser Einschluß zustande
kommt. Daraus wurde eine neue Theorie aufgestellt, die Quantenchromodynamik, sie
erklärt den Einschluß der Quarks durch eine Farbladung 30 . Diese Farbladung muß nach
außen Weiß ergeben, z. B. im Proton das aus zwei Up-Quarks und ein Down-Quark
(Rot+Blau+Grün=Weiß) besteht. Auch hier wurde versucht die starke Kernkraft mit der
elektroschwachen Kraft zu verbinden, und es entstand die SU(5)-Theorie, die zu großen
Teilen bereits bewiesen wurde.
Alles in allem wurde durch die Teilchenbeschleuniger unser heutiges physikalisches
Weltbild entscheidend mitgestaltet, aber auch außerhalb der Physik brachten die
Teilchenbeschleuniger entscheidende Fortschritte, so zum Beispiel in der Medizin. Viele
medizinische Geräte, wie Kernspintomographen und andere Meßapparaturen sind aus
27 Fraser, S. 60
28 Ebenda, S. 66
29 Bültel
30 Rebbi, S. 78
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den Forschungen um die Teilchenbeschleuniger entstanden, außerdem wurden viele neue
intelligente Materialien entwickelt.
Auch in der Zukunft werden uns die Teilchenbeschleuniger helfen, das Universum zu
verstehen, und uns eine Antwort auf die Frage geben, wie Gott arbeitet. Zur Zeit werden
neue Teilchenbeschleuniger gebaut oder alte Umgebaut, um noch höhere Energien zu
erzeugen, denn je größer die Energie wird, desto kleiner werden die Strukturen, die man
aufzeigen kann.
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8. Schlußwort
Die Entwicklung der Teilchenbeschleuniger zu den heutigen Großanlagen, ist eine sehr
spannende von Fehlentwicklungen und Irrtümern geprägte Geschichte. Es ist sehr
spannend wie sich aus einfachen Kathodenstrahlröhren die ersten Beschleuniger aus
diesen wiederrum die ersten Zyklotrone und Linearbeschleuniger, und später die großen
Ringbeschleuniger die Synchrotrone.
Teilchenbeschleuniger haben unser Weltbild revolutioniert, sie haben geholfen neuartige
Materialien zu entwickeln und haben die Entwicklung von medizinischen Geräten
möglich gemacht, die viel schonendere Behandlungsmethoden ermöglichen.
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7. Literaturverzeichnis
[1] Bültel, Christian: Geschichte der Physik [Deutsch]. Internetadresse:
http://medsun08.uni-muenster.de/~bultel/Geschi/PhysikGe.html, aufgerufen
am 27.12.1999
[2] Fraser, Gordon u.a.: The search for infinity, solving the mysteries of the
Universe; George Philip Limited; 1998
[3] Guratzsch, H.: Das Rossendorfer Zyklotron U-120 von 1958 bis heute.
Internetadresse: http://www.fz-rossendorf.de/FWN/Ereignisse.d.html,
aufgerufen am 28.12.1999
[4] Kaiser, Walter: Rolf Wideröe, Doktorand Walter Rogowskis und Erbauer
des ersten Linearbeschleunigers. Internetadresse: http://www.histech.rwthaachen.de/www/leute/kaiser/abstracts/wiederoe.htm,
aufgerufen am
27.12.1999
[5] Lucha, Wolfgang; Regler, Meinhard: Elementarteilchenphysik, Theorie und
Experiment; Paul Seppl; Hufstein/Ebbs 1997
[6] Rebbi, Claudio: Die Gitter-Eichtheorie: Warum Quarks gesperrt sind. In:
Verständliche Forschung. Teilchen, Felder und Symmetrien; Spektrum
Akademischer Verlag; Heidelberg 1995 2
[7] Schmidt-Rohr, Ulrich: Wolfgang Gentner. Internetadresse:
http://www.physik.uni-frankfurt.de/paf/paf181.html, aufgerufen am
27.12.1999
[8] Wilson, E.J.N.: Fifty years of synchrotrons; CERN; Internetadresse:
http://www.cern.ch/accelconf/e96/PAPERS/ORALS/FRX04A.PDF,
aufgerufen am 28.12.1999
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8. Erklärung
„Ich erkläre, dass ich die Facharbeit ohne fremde Hilfe angefertigt und nur die im
Quellen- bzw. Literaturverzeichnis angegebenen Quellen und Hilfsmittel benützt habe.“
................... ......................................
Ort, Datum Unterschrift
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