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Quantenphysik

Atomkern

Biologische wirkungen ionisierender strahlung, strahlenschutzmaßnahmen

Teilchenbeschleuniger

Name: Knowunity
Brand: Knowunity

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Tung Tran

@tungtran_9127c8

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Teilchenbeschleuniger sind faszinierende Großforschungsanlagen, die geladene Teilchen auf enorme Geschwindigkeiten beschleunigen. Diese Technologie ermöglicht bahnbrechende Erkenntnisse in der Teilchenphysik und findet Anwendung in Medizin und Industrie.

Geschichte reicht von der Braunschen Röhre 1897 bis zum modernen Large Hadron Collider
Haupttypen: Linearbeschleuniger, Zyklotron und Synchrotron
Größte Anlagen: CERN in Genf und DESY in Deutschland
Ermöglichen Erforschung der Struktur der Materie im subatomaren Bereich
Komplexe Technologie mit supraleitenden Magneten und Ultrahochvakuum

19.7.2020

2180

Teilchenbeschleuniger
1 1.Allgemeines
1.1 Geschichte
1.2 Grundlegendes
2.Beschleuniger
2.1 Linearbeschleuniger
2.2 Zyklotron
2.3 Synchrotron

Grundlagen der Teilchenbeschleuniger

Teilchenbeschleuniger nutzen elektrische Felder, um geladene Teilchen auf sehr hohe Geschwindigkeiten zu bringen. Es gibt zwei Haupttypen: geradlinig und zyklisch beschleunigende Anlagen. Allen gemeinsam ist, dass die Beschleunigung im Vakuum stattfindet, um Kollisionen mit Luftmolekülen zu vermeiden.

Die Anwendungen von Teilchenbeschleunigern sind vielfältig:

Grundlagenforschung zur Struktur der Materie
Medizinische Strahlentherapie
Materialprüfung durch Durchstrahlung

Highlight: Teilchenbeschleuniger ermöglichen einzigartige Einblicke in die Struktur der Materie im subatomaren Bereich und treiben so unser Verständnis des Universums voran.

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Linearbeschleuniger

Der Linearbeschleuniger ist der einfachste Typ eines Teilchenbeschleunigers. Sein Aufbau besteht aus einer Reihe von Röhren, die an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen sind.

Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger vom Typ Linearbeschleuniger?

Ein geladenes Teilchen wird von einer Quelle in die erste Röhre geschossen.
Die Spannung wird so angepasst, dass das Teilchen von der nächsten Röhre angezogen wird.
Im Zwischenraum zwischen den Röhren erfährt das Teilchen eine Beschleunigung.
Dieser Vorgang wiederholt sich, bis das Teilchen die gewünschte Energie erreicht hat.

Vorteil: Linearbeschleuniger ermöglichen eine sehr präzise Kontrolle über die Teilchenenergie.

Nachteil: Sie benötigen viel Platz, da die Beschleunigungsstrecke mit der gewünschten Endenergie zunimmt.

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Formeln für Teilchenbeschleuniger

Für das Verständnis und die Berechnung von Teilchenbeschleunigern sind einige grundlegende Formeln wichtig:

Länge der Röhren im Linearbeschleuniger:
- Gegeben: feste Periodendauer des Wechselstroms T=1/f
- Gleichförmige Bewegung in den Röhren: v=s/t
- Länge der folgenden Röhre: l = v × T/2

Erklärung: Diese Formel berücksichtigt, dass sich das Teilchen während einer halben Periode des Wechselstroms durch die Röhre bewegt.

Zyklotronfrequenz:
- Lorentzkraft = Zentripetalkraft: qvB = mv²/r
- Winkelgeschwindigkeit: ω = 2πf
- Bahngeschwindigkeit: v = rω = 2πfr
- Daraus folgt: f = qB / (2πm)

Highlight: Die Zyklotronfrequenz ist unabhängig vom Radius, der Geschwindigkeit und der Energie der Teilchen. Sie hängt nur von der Ladung, der magnetischen Flussdichte und der Masse des Teilchens ab.

Diese Formeln bilden die Grundlage für die Berechnung und Optimierung von Teilchenbeschleunigern und sind essentiell für das Verständnis ihrer Funktionsweise.

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CERN - Europäische Organisation für Kernforschung

Das CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) ist die weltweit führende Forschungseinrichtung für Teilchenphysik.

Wichtige Fakten zum CERN:

Gegründet: 1954
Sitz: Genf, Schweiz
Mitgliedstaaten: 23 (bei Gründung 12)
Mitarbeiter: ca. 18.000, davon 14.000 Wissenschaftler
Jahresbudget: 21 Milliarden Euro (20% von Deutschland)

Highlight: Der Energieverbrauch des CERN beträgt 1,2 TWh pro Jahr, was dem Verbrauch einer mittelgroßen Stadt entspricht.

Das Herzstück des CERN ist der Large Hadron Collider (LHC), der größte Teilchenbeschleuniger der Welt:

Umfang: 26.659 Meter
Tiefe: 50-175 Meter
Maximale Energie: 13 TeV
900 Vakuumpumpen für Ultrahochvakuum
1232 Dipolmagnete, 392 Quadrupolmagnete

Technologie: Die supraleitenden Magnete des LHC müssen auf -271°C gekühlt werden, was nahe am absoluten Nullpunkt liegt.

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DESY - Deutsches Elektronen-Synchrotron

DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) ist das führende deutsche Forschungszentrum für Teilchenphysik und eine der weltweit renommiertesten Einrichtungen auf diesem Gebiet.

Wichtige Fakten zu DESY:

Gegründet: 18.12.1959
Standorte: Hamburg und Zeuthen
Mitarbeiter: 2300 (2100 in Hamburg, 200 in Zeuthen)
Jahresbudget: 230 Millionen Euro

Highlight: DESY wird zu 90% vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10% von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

Forschungsschwerpunkte von DESY:

Entwicklung und Betrieb von Teilchenbeschleunigern
Erforschung der Eigenschaften von Materie mit Photonen

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Synchrotron

Das Synchrotron ist der leistungsfähigste Typ von Kreisbeschleunigern und wird in den größten Forschungsanlagen der Welt eingesetzt. Es kombiniert die Vorteile von Zyklotron und Linearbeschleuniger.

Hauptmerkmale des Synchrotrons:

Fixer Radius der Teilchenbahn
Anpassbare Magnetfeldstärke
Benötigt Vorbeschleuniger (meist Linearbeschleuniger)

Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger vom Typ Synchrotron?

Teilchen werden in einem Vorbeschleuniger auf hohe Energien gebracht.
Sie werden in den Hauptring injiziert.
Das Magnetfeld wird mit zunehmender Teilchengeschwindigkeit verstärkt, um die Bahn konstant zu halten.
Beschleunigungskavitäten erhöhen die Energie bei jedem Umlauf.

Anwendung: Synchrotrone werden hauptsächlich für Kollisionsexperimente in der Teilchenphysik genutzt, finden aber auch Anwendung in der medizinischen Strahlentherapie.

Vorteil: Synchrotrone können Teilchen auf extrem hohe Energien beschleunigen.

Nachteil: Sie sind sehr komplex und kostspielig in Bau und Betrieb.

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Zyklotron

Das Zyklotron ist ein kompakter Kreisbeschleuniger, der in den 1930er Jahren entwickelt wurde. Sein Aufbau besteht aus:

Zwei halbkreisförmigen Elektroden (Duanten)
Einem starken Elektromagneten
Einer Teilchenquelle im Zentrum

Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger vom Typ Zyklotron?

Teilchen werden aus der Quelle in den ersten Duanten geschossen.
Während sich das Teilchen im Duanten befindet, wird die Spannung umgepolt.
Das Teilchen wird im Zwischenraum zwischen den Duanten beschleunigt.
Durch die zunehmende Geschwindigkeit wird die Umlaufbahn des Teilchens größer.
Eine Ablenkelektrode lenkt das beschleunigte Teilchen schließlich auf das Ziel.

Vorteil: Zyklotrone sind kompakt und können kontinuierlich Teilchen beschleunigen.

Nachteil: Die maximale Energie ist durch relativistische Effekte begrenzt.

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Allgemeines und Geschichte der Teilchenbeschleuniger

Die Geschichte der Teilchenbeschleuniger reicht bis ins späte 19. Jahrhundert zurück. Den Grundstein legte Karl Ferdinand Braun 1897 mit der Entwicklung der Braunschen Röhre, die später für Fernseher genutzt wurde. Ein bedeutender Durchbruch gelang 1929 mit dem Vorschlag, Wechselfelder zur Teilchenbeschleunigung zu nutzen.

In den 1930er Jahren wurden die ersten praktischen Beschleuniger gebaut. Ernest Lawrence und Milton Stanley Livingstone konstruierten 1930 das erste Zyklotron. Nur zwei Jahre später gelang John Cockroft und Ernest Walton die erste künstliche Kernreaktion mit einem Beschleuniger.

Highlight: Die Entwicklung der Teilchenbeschleuniger machte in den folgenden Jahrzehnten enorme Fortschritte. 1954 wurde der erste Ringbeschleuniger gebaut, der Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigte.

In den 1960er Jahren erreichten Synchrotrone bereits Energien von 30 GeV. Den vorläufigen Höhepunkt markiert der Large Hadron Collider am CERN, der 2015 Protonen auf die Rekordenergie von 6,5 TeV beschleunigte.

Definition: Die Einheit TeV steht für Teraelektronenvolt und entspricht einer Billion Elektronenvolt - ein Maß für die enorme Energie der beschleunigten Teilchen.

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DESY-Beschleuniger

DESY verfügt über mehrere Teilchenbeschleuniger, die im Laufe der Jahre gebaut und weiterentwickelt wurden:

DESY (Namensgebender Beschleuniger):
- Gebaut: 1960-1964
- Beschleunigt Elektronen auf 7,4 GeV
- Heute als Vorbeschleuniger für PETRA III genutzt
PETRA (Positron-Elektron-Tandem-Ring-Anlage):
- Gebaut: 1975-1978
- Umfang: 2304 m
- Historischer Erfolg: Nachweis des Gluons 1979
- Heute als PETRA III Röntgenlichtquelle genutzt
HERA (Hadron-Elektron-Ring-Anlage):
- Gebaut: 1984-1990
- Umfang: 6336 m, Tiefe: 10-25 m
- Zwei Beschleuniger in einer Tunnelröhre:
  - Elektronen auf 27,5 GeV
  - Protonen auf 920 GeV
- 2007 abgeschaltet

Synchrotron Strahlung: PETRA III nutzt die bei der Beschleunigung entstehende Synchrotronstrahlung für Experimente in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen.

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Grundlagen der Teilchenbeschleuniger

Die Anwendungen von Teilchenbeschleunigern sind vielfältig:

Grundlagenforschung zur Struktur der Materie
Medizinische Strahlentherapie
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Linearbeschleuniger

Der Linearbeschleuniger ist der einfachste Typ eines Teilchenbeschleunigers. Sein Aufbau besteht aus einer Reihe von Röhren, die an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen sind.

Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger vom Typ Linearbeschleuniger?

Ein geladenes Teilchen wird von einer Quelle in die erste Röhre geschossen.
Die Spannung wird so angepasst, dass das Teilchen von der nächsten Röhre angezogen wird.
Im Zwischenraum zwischen den Röhren erfährt das Teilchen eine Beschleunigung.
Dieser Vorgang wiederholt sich, bis das Teilchen die gewünschte Energie erreicht hat.

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Formeln für Teilchenbeschleuniger

Für das Verständnis und die Berechnung von Teilchenbeschleunigern sind einige grundlegende Formeln wichtig:

Länge der Röhren im Linearbeschleuniger:
- Gegeben: feste Periodendauer des Wechselstroms T=1/f
- Gleichförmige Bewegung in den Röhren: v=s/t
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Erklärung: Diese Formel berücksichtigt, dass sich das Teilchen während einer halben Periode des Wechselstroms durch die Röhre bewegt.

Zyklotronfrequenz:
- Lorentzkraft = Zentripetalkraft: qvB = mv²/r
- Winkelgeschwindigkeit: ω = 2πf
- Bahngeschwindigkeit: v = rω = 2πfr
- Daraus folgt: f = qB / (2πm)

Highlight: Die Zyklotronfrequenz ist unabhängig vom Radius, der Geschwindigkeit und der Energie der Teilchen. Sie hängt nur von der Ladung, der magnetischen Flussdichte und der Masse des Teilchens ab.

Diese Formeln bilden die Grundlage für die Berechnung und Optimierung von Teilchenbeschleunigern und sind essentiell für das Verständnis ihrer Funktionsweise.

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Umfang: 26.659 Meter
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Maximale Energie: 13 TeV
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DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) ist das führende deutsche Forschungszentrum für Teilchenphysik und eine der weltweit renommiertesten Einrichtungen auf diesem Gebiet.

Wichtige Fakten zu DESY:

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Synchrotron

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Teilchen werden in einem Vorbeschleuniger auf hohe Energien gebracht.
Sie werden in den Hauptring injiziert.
Das Magnetfeld wird mit zunehmender Teilchengeschwindigkeit verstärkt, um die Bahn konstant zu halten.
Beschleunigungskavitäten erhöhen die Energie bei jedem Umlauf.

Anwendung: Synchrotrone werden hauptsächlich für Kollisionsexperimente in der Teilchenphysik genutzt, finden aber auch Anwendung in der medizinischen Strahlentherapie.

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Zyklotron

Das Zyklotron ist ein kompakter Kreisbeschleuniger, der in den 1930er Jahren entwickelt wurde. Sein Aufbau besteht aus:

Zwei halbkreisförmigen Elektroden (Duanten)
Einem starken Elektromagneten
Einer Teilchenquelle im Zentrum

Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger vom Typ Zyklotron?

Teilchen werden aus der Quelle in den ersten Duanten geschossen.
Während sich das Teilchen im Duanten befindet, wird die Spannung umgepolt.
Das Teilchen wird im Zwischenraum zwischen den Duanten beschleunigt.
Durch die zunehmende Geschwindigkeit wird die Umlaufbahn des Teilchens größer.
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Highlight: Die Entwicklung der Teilchenbeschleuniger machte in den folgenden Jahrzehnten enorme Fortschritte. 1954 wurde der erste Ringbeschleuniger gebaut, der Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigte.

Definition: Die Einheit TeV steht für Teraelektronenvolt und entspricht einer Billion Elektronenvolt - ein Maß für die enorme Energie der beschleunigten Teilchen.

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DESY-Beschleuniger

DESY verfügt über mehrere Teilchenbeschleuniger, die im Laufe der Jahre gebaut und weiterentwickelt wurden:

DESY (Namensgebender Beschleuniger):
- Gebaut: 1960-1964
- Beschleunigt Elektronen auf 7,4 GeV
- Heute als Vorbeschleuniger für PETRA III genutzt
PETRA (Positron-Elektron-Tandem-Ring-Anlage):
- Gebaut: 1975-1978
- Umfang: 2304 m
- Historischer Erfolg: Nachweis des Gluons 1979
- Heute als PETRA III Röntgenlichtquelle genutzt
HERA (Hadron-Elektron-Ring-Anlage):
- Gebaut: 1984-1990
- Umfang: 6336 m, Tiefe: 10-25 m
- Zwei Beschleuniger in einer Tunnelröhre:
  - Elektronen auf 27,5 GeV
  - Protonen auf 920 GeV
- 2007 abgeschaltet

Synchrotron Strahlung: PETRA III nutzt die bei der Beschleunigung entstehende Synchrotronstrahlung für Experimente in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen.