Arbeit über allgemeine Infos, die Wirkungsweise und Arten von Teilchenbeschleunigern und deren Anwendung.
Teilchenbeschleuniger
Gliederung
1. Allgemeine Info
2. Wirkungsweise
3. Arten von Teilchenbeschleunigern
3.1.Linearbeschleuniger
3.2.Zyklotron/ Ringbeschleuniger
3.3.Betatron
3.4.Synchrotron
3.5.Speicherring-Collider
3.6.Van-de-Graaff-Beschleuniger
4. Anwendung
5. Bibliographie
1. Allgemeine Info
- von geladenen
Elementarteilchen oder Ionen auf hohe physikalisch-technische Großanlagen zum BeschleunigenEnergien und Geschwindigkeiten
- zählen zu den größten und teuersten in der Physik verwendeten Vorrichtungen, mit denen man Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten bringt
- bestehen im Wesentlichen aus drei Teilen:
I. Quelle zur Freisetzung von Elementarteilchen oder Ionen
II. weitgehend evakuierte röhrenförmige Bahn, in der sich Teilchen frei bewegen können
III. Einheit zum Beschleunigen der Teilchen
1. TB üblicherweise mit anderen Geräten (z.B. Teilchendetektoren) gekoppelt
2. heute werden Energien bis zu ca. 1 TeV erreicht (12)
2. Wirkungsweise
- Protonen/ Elektronen/ Ionen werden durch Magnet-/Elektrische Felder in einer Röhre mit Ultrahochvakuum beschleunig
- Bündelung des Teilchenstrahls durch Quadrupole
- Beschuss des Ziels/ Zusammenstoßen von Teilchen (Collider)
- Nachweis der bei dem Zusammenstoß entstandenen Teilchen mit hochempfindlichen Detektoren
- Geschwindigkeit der Teilchen wird in allen TB durch Lichtgeschwindigkeit
begrenzt; nach Relativitätstheorie wäre bei Lichtgeschwindigkeit Energie unendlich groß
3. Arten von Teilchenbeschleunigern
3.1. Linearbeschleuniger
- Ende der 20er Jahre konzipiert
- Beschleunigung von Teilchen m.H. von Wechselspannungen auf einer geraden Bahn (für niedrige Energien elektrostatische Felder; für höhere Energien hochfrequente elektrische Wechselfelder (HF-Linearbeschleuniger)) · Teilchen passieren beim Durchgang durch Beschleuniger mehrere Elektroden (stehen hintereinander)
- Frequenz der Wechselspannung wird so gewählt, dass Teilchen immer dann nach vorn beschleunigt wird, wenn es Lücke zwischen zwei Elektroden passiert
- Linearbeschleuniger können theoretisch für jede beliebige Energie gebaut werden
3.2. Zyklotron
- 1939 vom amerikanischen Physiker Ernest O. Lawrence entwickelt
- Ringförmiger Teilchenbeschleuniger
- Enthält großen Magneten, die Teilchen auf der gekrümmten Bahn halten
- Besteht im Wesentlichen aus normalen TB-Teilen + zwei Elektroden (D-förmig Dees( D); Duanten), die mit den Kanten der Ds fast aneinanderliegen
- Jedes Mal, wenn die Teilchen die Lücken zwischen den D’s passieren, werden sie beschleunigt
- Am Anfang kamen Beschleunigungsstöße zu früh oder zu spät 1945 Entwicklung des Synchrozyklotrons vom russischen Physiker Wladimir I. Weksler und dem amerikanischen Physiker Edwin M. McMillan
- Durch Zunahme der Energie (Teilchen wird schneller) beschreibt Teilchen spiralenähnliche Bahn
3.3. Betatron
- Bei Beschleunigung von Elektronen steigt deren Masse schon bei relativ geringen Energien merklich an: bei einer Energie von einem MeV hat ein Elektron eine dreimal so hohe Masse wie ein ruhendes Elektron Synchrzyklotrone sind für solche Massezunahmen nicht geeignet Entwicklung von anderem Beschleunigertyp für Elektronen: Betatron
- Enthält Vakuumkammer, die aus zwei Hälften einer abgaflachten Kugel zusammengesetzt ist und sich zwischen den Polen eines Magneten befindet
- Elektronen werden durch sog. „Führungsfeld“ (Magnetfeld) auf Bahn gehalten · Elektronen werden durch die Kräfte beschleunigt, die von den Änderungen des magnetischen Flusses entlang der Kreisbahn herrühren
3.4. Synchrotron
- Teilchen werden schon vor Eintritt in den Kreisring auf Energien von einigen Millionen eV gebracht
- Teilchen werden auf Kreisbahn weiter beschleunigt und treten dann mit über einem GeV aus Kreisring aus
- Verstärkung des Energiefeldes durch höhere Geschwindigkeit und somit größere Kreisbahn
3.5. Speicherring-Collider · Kollisionsmaschine
- Teilchen prallen mit höheren Energien aufeinander
- zwei Gruppen von Teilchen werden beschleunigt und in den Speicherring oder in die Speicherringe geführt
- stoßen dann beim Experiment frontal aufeinander
- haben Teilchen unterschiedliche Ladungen, können sie in einem Speicherring gespeichert werden (beschreiben entgegengesetzte Kreisbahnen) · haben Teilchen gleiche Ladungen, werden sie in unterschiedlichen Ringen gespeichert und dann in gemeinsamen Ring gestoßen
- Bsp.: HERA (Hadron-Elektron-Ring-Anlage): Protonen mit einer Strahlenenergie von 800 GeV können erzeugt werden
3.6. Van-De-Graaff-Beschleuniger
- Band aus isoliertem Material transportiert Ladungen, die aus einer Elektrode abgeleitet werden, zu einer leitenden Hohlkugel
- Aufgeladene Hohlkugel gibt ihre Ladung an Elektroden des Teilchenbeschleunigers ab
- Dann gleiches Prinzip wie Linearbeschleuniger
4. Anwendung
- Medizin (Röntgenverfahren; Bekämpfung von Geschwüren, Tumoren, Krebsgeschwüren, ...)
- Kernphysikalische Experimente (Untersuchung von Atomkernen und den Teilchen, die den Atomkern aufbauen)
- Fernseher (Braunsche Röhre) · Fusionsforschung
5. Bibliografie
- Microsoft Encarta Enzyklopädie 2000 Plus · Brockhaus Multimedial 2000 premium · Hausaufgaben.de
- Ausarbeitung zum Thema "Teilchenbeschleuniger" von Robert Vater · TU München
Häufig gestellte Fragen
Was sind Teilchenbeschleuniger?
Teilchenbeschleuniger sind große, physikalisch-technische Anlagen, die geladene Elementarteilchen oder Ionen auf hohe Energien und Geschwindigkeiten beschleunigen. Sie werden in der Physik verwendet, um Teilchen auf sehr hohe Geschwindigkeiten zu bringen.
Aus welchen Teilen besteht ein Teilchenbeschleuniger im Wesentlichen?
Ein Teilchenbeschleuniger besteht im Wesentlichen aus drei Teilen:
- Einer Quelle zur Freisetzung von Elementarteilchen oder Ionen.
- Einer weitgehend evakuierten röhrenförmigen Bahn, in der sich die Teilchen frei bewegen können.
- Einer Einheit zum Beschleunigen der Teilchen.
Wie funktionieren Teilchenbeschleuniger?
Protonen, Elektronen oder Ionen werden durch magnetische oder elektrische Felder in einer Röhre mit Ultrahochvakuum beschleunigt. Quadrupole bündeln den Teilchenstrahl. Es folgt der Beschuss eines Ziels oder das Zusammenstoßen von Teilchen (Collider). Die entstandenen Teilchen werden mit hochempfindlichen Detektoren nachgewiesen. Die Geschwindigkeit der Teilchen wird durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt.
Welche Arten von Teilchenbeschleunigern gibt es?
Es gibt verschiedene Arten von Teilchenbeschleunigern, darunter:
- Linearbeschleuniger
- Zyklotron/ Ringbeschleuniger
- Betatron
- Synchrotron
- Speicherring-Collider
- Van-de-Graaff-Beschleuniger
Was ist ein Linearbeschleuniger?
Ein Linearbeschleuniger beschleunigt Teilchen mithilfe von Wechselspannungen auf einer geraden Bahn. Für niedrige Energien werden elektrostatische Felder verwendet, für höhere Energien hochfrequente elektrische Wechselfelder. Die Teilchen passieren mehrere Elektroden hintereinander.
Wie funktioniert ein Zyklotron?
Ein Zyklotron ist ein ringförmiger Teilchenbeschleuniger mit einem großen Magneten, der die Teilchen auf einer gekrümmten Bahn hält. Es besteht aus normalen TB-Teilen und zwei D-förmigen Elektroden (Dees), die mit den Kanten fast aneinanderliegen. Jedes Mal, wenn die Teilchen die Lücken zwischen den Dees passieren, werden sie beschleunigt.
Was ist ein Betatron?
Ein Betatron ist ein Beschleuniger für Elektronen, bei dem die Masse der Elektronen schon bei relativ geringen Energien merklich ansteigt. Es enthält eine Vakuumkammer zwischen den Polen eines Magneten. Elektronen werden durch ein Magnetfeld auf der Bahn gehalten und durch Änderungen des magnetischen Flusses beschleunigt.
Was ist ein Synchrotron?
In einem Synchrotron werden Teilchen vor dem Eintritt in den Kreisring auf Energien von einigen Millionen eV gebracht. Sie werden auf einer Kreisbahn weiter beschleunigt und treten dann mit über einem GeV aus dem Kreisring aus.
Was ist ein Speicherring-Collider?
Ein Speicherring-Collider (Kollisionsmaschine) lässt Teilchen mit höheren Energien aufeinanderprallen. Zwei Gruppen von Teilchen werden beschleunigt und in Speicherringe geführt, wo sie frontal zusammenstoßen.
Wie funktioniert ein Van-de-Graaff-Beschleuniger?
Ein Band aus isoliertem Material transportiert Ladungen zu einer leitenden Hohlkugel, die ihre Ladung an Elektroden des Teilchenbeschleunigers abgibt. Das Prinzip ist dann wie beim Linearbeschleuniger.
Welche Anwendungen haben Teilchenbeschleuniger?
Teilchenbeschleuniger werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt:
- Medizin (Röntgenverfahren, Bekämpfung von Geschwüren, Tumoren, Krebsgeschwüren)
- Kernphysikalische Experimente (Untersuchung von Atomkernen)
- Fernseher (Braunsche Röhre)
- Fusionsforschung
Wo finde ich weitere Informationen über Teilchenbeschleuniger?
Weitere Informationen finden Sie in folgenden Quellen:
- Microsoft Encarta Enzyklopädie 2000 Plus
- Brockhaus Multimedial 2000 premium
- Hausaufgaben.de
- Ausarbeitung zum Thema "Teilchenbeschleuniger" von Robert Vater (TU München)
- Forschungszentrum Karlsruhe (www.fzk.de)
- Universität Erlangen (www.uni-erlangen.de)
- Citation du texte
- Burkhardt Lars (Auteur), 2001, Teilchenbeschleuniger, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/105033
