Synchrotron

  Das Synchrotron ist ein Teilchenbeschleuniger, in dem geladene Elementarteilchen oder Ionen auf sehr hohe (relativistische) Geschwindigkeiten beschleunigt werden, wodurch die Teilchen sehr hohe kinetische Energien erhalten.

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Aufbau

Zur Beschleunigung wird ein passend synchronisiertes hochfrequentes elektrisches Wechselfeld (Mikrowellen) verwendet. Die Teilchen werden durch – abhängig von der erreichten Energie – nachgeregelte Magnetfelder auf eine in sich geschlossene Bahn geleitet und erreichen dabei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit. Damit die Teilchen nicht durch Stöße mit Gasteilchen verlorengehen, liegt die komplette Bahn in einem Röhrensystem, in dem ein Vakuum, genauer Ultrahochvakuum (UHV), herrscht.

Elektronensynchrotron

Beim Elektronensynchrotron erzeugt eine Glühkathoden-Elektronenquelle freie Elektronen, die dann über eine elektrostatische Beschleunigungsstrecke in einen Linearbeschleuniger, ein Mikrotron oder sogar schon in einen ersten Beschleunigungsring geleitet werden (siehe Bild). In diesem werden die Elektronen bis zu einer Endenergie elektrodynamisch beschleunigt und dann -- im Fall einer Speicherringanlage -- im Synchrotronspeicherring (Durchmesser um die 50 m) gespeichert. Die Elektronen werden so lange im Speicherring gehalten, bis sie durch Kollisionen mit Restgasmolekülen unter die verwertbare Dichte verringert sind.

Synchrotronstrahlung

An Synchrotrons wurde erstmalig die intensive und breitbandige elektromagnetische Strahlung nachgewiesen, die aufgrund der Ablenkung leichter geladener Teilchen entsteht. Sie wird daher als Synchrotronstrahlung bezeichnet und 1949 von Julian Schwinger theoretisch beschrieben. Sie trat anfangs an teilchenphysikalischen Beschleunigern störend in Erscheinung, da durch ihre Abstrahlung die Energie der Teilchen verloren geht. Sie eignet sich aufgrund ihrer Beschaffenheit jedoch für Untersuchungen in anderen Bereichen der Physik sowie weiterer Naturwissenschaften, aber auch für industrielle und medizinische Anwendungen. Die Synchrotronstrahlung wird daher inzwischen gezielt produziert, wozu nicht mehr die zur Führung des Teilchenstrahls benötigten Dipolmagneten eingesetzt werden, sondern sogenannte Wiggler oder Undulatoren. Ein Undulator hat den Vorteil, dass sein Emissionswinkel schmaler als beim Wiggler ist, es treten allerdings Harmonische der emittierten Photonenenergie auf.

Polarisation

Da alle bisher gebauten Synchrotronringe waagerecht gebaut sind, ist die Synchrotronstrahlung horizontal polarisiert, also in Richtung der Ringkrümmung. Hierdurch eignet sich die Synchrotronstrahlung gut um magnetische Materialien mittels mikromagnetischer Untersuchung zu charakterisieren.

Die lineare Polarisation kann mittels mechanischer Phasenverschiebung der Magnetisierungsregionen in einem Undulator in zirkulare Polarisation umgewandelt werden. Zirkulare Polarisierung ermöglicht höhere Kontraste bei der Untersuchung der Magnetisierungsregionen magnetischer Materialien.

Energie

Die maximale Teilchenenergie, die in einem bestimmten Synchrotron erreicht werden kann, ist abhängig von der maximalen magnetischen Flussdichte B, vom Radius r des Rings und von den Teilcheneigenschaften. Es gilt für hohe Energien näherungsweise:

Dabei ist r der Radius des Synchrotronbeschleunigers, q die Ladung des beschleunigten Teilchens, B die magnetische Flussdichte der Ablenkmagneten und c die Lichtgeschwindigkeit. In der Formel ist keine Abhängigkeit von der Masse des Teilchens ersichtlich, allerdings wurde die Abgabe von Synchrotronstrahlung nicht beachtet. Leichtere Teilchen sind bei gleicher Energie schneller (genauer: haben höhere relativistische γ-Faktoren; da die Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit sind, ist der Geschwindigkeitsunterschied minimal) als schwerere Teilchen und strahlen daher stärker. Der Energieverlust durch diese Synchrotronstrahlung muss durch die elektrische Beschleunigung ausgeglichen werden. Deshalb erreicht man mit Elektronen in Synchrotronen meist nur ca. 10 GeV, höherenergetische Elektronen kann man leichter mit Linearbeschleunigern erzeugen. Protonenenergien hingegen sind in modernen Synchrotronen hauptsächlich nach obiger Formel durch Radius und Magnetfeldstärke beschränkt.

Verwendung

Die in Synchrotronen beschleunigten Teilchen werden in der Regel dazu verwendet, um Kollisions- oder Targetexperimente durchzuführen (Teilchenphysik). Zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung verwendet man in der Regel Elektronen-Speicherringe.

Übersicht über einzelne Synchrotrone

• ANKA (Angströmquelle Karlsruhe)
• Advanced Photon Source in den USA
• NSLS (National Synchrotron Light Source) am Brookhaven National Laboratory, Long Island, USA
• OPTIVUS (Loma Linda University Medical Center in Californien)[1][2] USA
• DESY (Forschungszentrum Deutsches Elektronen-Synchrotron)
• Diamond (Diamond Light Source) South Oxfordshire, UK
• Elektronen-Stretcher-Anlage (ELSA) Universität Bonn [3]
• CERN (frz. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, das Europäische Kernforschungslabor)
• GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH, Darmstadt)
• HIT (Heidelberger Ionenstrahl Therapie, Universitätskliniken Heidelberg)
• COSY (Cooler Synchrotron im Forschungszentrum Jülich)
• BESSY (Berliner ElektronenSpeicherringgesellschaft für SYnchrotronstrahlung)
• DELTA (Dortmunder Elektronen Speicherring Anlage)
• ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) in Grenoble
• ELETTRA (ELETTRA Synchrotron Light Laboratory) in Triest, Italien
• MAMI (Mainzer Microtron [4]) Johannes Gutenberg-Universität, Mainz
• SOLEIL (Synchrotron SOLEIL) in GIF-sur-YVETTE, bei Paris, Frankreich
• SPring-8 (Super Photon ring-8 GeV) in Japan
• SLS (Swiss Light Source) am Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz
• CLS (Canadian Light Source)
• SSLS (Singapore Synchrotron Light Source an der National University of Singapore)
• SESAME (Synchrotron-light for Experimental Science and Applications in the Middle East) in Allaan, Jordanien