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Speicherring Ein ist eine Sonderform eines Synchrotron Teilchenbeschleunigers spezialisiert auf die Ansammlung und lange

Speicherring

Ein Speicherring ist eine Sonderform eines Synchrotron-Teilchenbeschleunigers, spezialisiert auf die Ansammlung und lange Aufrechterhaltung eines hohen Strahlstroms. Er besteht aus einem ringförmigen Vakuumgefäß, in dem hochenergetische, elektrisch geladene Teilchen durch Magnete auf einer geschlossenen Umlaufbahn gehalten werden.

Schema eines Elektron-Positron-Speicherrings für Hochenergiephysik-Experimente
Beschleunigungsstrecke des Ionen-Speicherrings ESR der GSI, Darmstadt
Abschnitt des ESR des GSI

Die Befüllung eines Speicherrings erfolgt meist über einen separaten Teilchenbeschleuniger; jedoch kann ein Synchrotron auch selbst als Speicherring funktionieren, indem die Beschleunigungsspannung fast oder ganz abgeschaltet und das Feld der Ablenkmagnete konstant gehalten wird. Manche Anlagen können daher ebenso gut als Synchrotron wie als Speicherring bezeichnet werden.

Meist werden im Speicherring viele Teilchenpakete des Beschleunigers angesammelt (daher der Name "Speicher"), so dass die Intensität im Speicherring viel höher ist als im Beschleunigerstrahl. In großen Anlagen wurden so Strahlströme von mehreren Ampere erzeugt. Um eine lange Verweildauer des Strahls im Speicherring von teils vielen Stunden zu erreichen, ist ein extrem gutes Vakuum nötig, da Stöße mit dem Restgas die Strahlstärke verringern und auch die Strahlqualität beeinträchtigen. Eine Ausleitung des Strahls aus dem Ring zu Experimentierzwecken ist entweder gar nicht vorgesehen oder hat nachrangige Bedeutung. Es existieren Speicherringe für Elektronen und verschiedene Ionen, von Protonen und Antiprotonen bis zu Schwerionen wie Gold und Blei.

Erzeugung von Synchrotronstrahlung Bearbeiten

Elektronenspeicherringe werden oft primär oder ausschließlich zum Zweck der Erzeugung von Synchrotronstrahlung betrieben. Zur Steigerung der Intensität der Synchrotronstrahlung werden besondere Bauteile eingebaut, die sogenannten Wiggler bzw. Undulatoren; diese bringen die Elektronen auf einem sonst geraden Bahnabschnitt in eine Wellenlinie und damit zu verstärkter Abgabe der Strahlung. In den Beschleunigungsstrecken werden die Strahlungsverluste wieder ausgeglichen.

Collider Bearbeiten

Eine Sonderform der Speicherringe sind die sogenannten Collider (engl. collide: zusammenstoßen), die meist aus zwei Ringen mit entgegengesetzter Umlaufrichtung aufgebaut sind. Die Teilchen werden an einem oder mehreren Kreuzungspunkten zur Kollision gebracht. Auf diese Weise kann, anders als beim Beschuss eines feststehenden Targets, die gesamte kinetische Energie in Masse neuer Teilchen umgewandelt werden, denn es wird keine kinetische Energie für eine Weiterbewegung des Schwerpunkts des Teilchensystems benötigt (siehe Colliding-Beam-Experiment).

Auch bei dieser Verwendung tritt für hochenergetische leichte Teilchen wie Elektronen das Problem aller Kreisbeschleuniger, der Energieverlust durch Synchrotronstrahlung auf. Neue Konzepte für Höchstenergie-Elektronencollider sehen deshalb zwei gegeneinander gerichtete Linearbeschleuniger vor wie z. B. beim in Planung befindlichen International Linear Collider.

Physikalische Grundlagen Bearbeiten

Ein geladenes Teilchen der Masse m und Ladung q, das sich mit der Geschwindigkeit in einem magnetischen Feld der Flussdichte bewegt, wird durch die Lorentzkraft auf eine Kreisbahn mit Radius r gezwungen. Setzt man Lorentzkraft und Zentripetalkraft gleich, kann man die resultierende Gleichung nach auflösen und den Durchmesser der Kreisbahn bestimmen.

Speicherring-Standorte Bearbeiten

Speicherringe finden sich u. a.

Literatur Bearbeiten

F. Hinterberger: Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik. 2. Auflage, Springer 2008, ISBN 978-3-540-75281-3

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. K. Johnsen: CERN Intersecting Storage Rings (ISR). In: Proc. Na. Acad. Sci. USA. 70. Jahrgang, Nr. 2, 1973, S. 619–626, PMC 433316 (freier Volltext).
  2. https://www.fnal.gov/pub/tevatron/index.html
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Ein Speicherring ist eine Sonderform eines Synchrotron Teilchenbeschleunigers spezialisiert auf die Ansammlung und lange Aufrechterhaltung eines hohen Strahlstroms Er besteht aus einem ringformigen Vakuumgefass in dem hochenergetische elektrisch geladene Teilchen durch Magnete auf einer geschlossenen Umlaufbahn gehalten werden Schema eines Elektron Positron Speicherrings fur Hochenergiephysik ExperimenteBeschleunigungsstrecke des Ionen Speicherrings ESR der GSI DarmstadtAbschnitt des ESR des GSIDie Befullung eines Speicherrings erfolgt meist uber einen separaten Teilchenbeschleuniger jedoch kann ein Synchrotron auch selbst als Speicherring funktionieren indem die Beschleunigungsspannung fast oder ganz abgeschaltet und das Feld der Ablenkmagnete konstant gehalten wird Manche Anlagen konnen daher ebenso gut als Synchrotron wie als Speicherring bezeichnet werden Meist werden im Speicherring viele Teilchenpakete des Beschleunigers angesammelt daher der Name Speicher so dass die Intensitat im Speicherring viel hoher ist als im Beschleunigerstrahl In grossen Anlagen wurden so Strahlstrome von mehreren Ampere erzeugt Um eine lange Verweildauer des Strahls im Speicherring von teils vielen Stunden zu erreichen ist ein extrem gutes Vakuum notig da Stosse mit dem Restgas die Strahlstarke verringern und auch die Strahlqualitat beeintrachtigen 1 Eine Ausleitung des Strahls aus dem Ring zu Experimentierzwecken ist entweder gar nicht vorgesehen oder hat nachrangige Bedeutung Es existieren Speicherringe fur Elektronen und verschiedene Ionen von Protonen und Antiprotonen bis zu Schwerionen wie Gold und Blei Inhaltsverzeichnis 1 Erzeugung von Synchrotronstrahlung 2 Collider 3 Physikalische Grundlagen 4 Speicherring Standorte 5 Literatur 6 EinzelnachweiseErzeugung von Synchrotronstrahlung BearbeitenElektronenspeicherringe werden oft primar oder ausschliesslich zum Zweck der Erzeugung von Synchrotronstrahlung betrieben Zur Steigerung der Intensitat der Synchrotronstrahlung werden besondere Bauteile eingebaut die sogenannten Wiggler bzw Undulatoren diese bringen die Elektronen auf einem sonst geraden Bahnabschnitt in eine Wellenlinie und damit zu verstarkter Abgabe der Strahlung In den Beschleunigungsstrecken werden die Strahlungsverluste wieder ausgeglichen Collider BearbeitenEine Sonderform der Speicherringe sind die sogenannten Collider engl collide zusammenstossen die meist aus zwei Ringen mit entgegengesetzter Umlaufrichtung aufgebaut sind Die Teilchen werden an einem oder mehreren Kreuzungspunkten zur Kollision gebracht Auf diese Weise kann anders als beim Beschuss eines feststehenden Targets die gesamte kinetische Energie in Masse neuer Teilchen umgewandelt werden denn es wird keine kinetische Energie fur eine Weiterbewegung des Schwerpunkts des Teilchensystems benotigt siehe Colliding Beam Experiment Auch bei dieser Verwendung tritt fur hochenergetische leichte Teilchen wie Elektronen das Problem aller Kreisbeschleuniger der Energieverlust durch Synchrotronstrahlung auf Neue Konzepte fur Hochstenergie Elektronencollider sehen deshalb zwei gegeneinander gerichtete Linearbeschleuniger vor wie z B beim in Planung befindlichen International Linear Collider Physikalische Grundlagen BearbeitenEin geladenes Teilchen der Masse m und Ladung q das sich mit der Geschwindigkeit v displaystyle v nbsp in einem magnetischen Feld der Flussdichte B displaystyle vec B nbsp bewegt wird durch die Lorentzkraft auf eine Kreisbahn mit Radius r gezwungen Setzt man Lorentzkraft F L q v B displaystyle vec F L q cdot vec v times vec B nbsp und Zentripetalkraft F Z m v 2 r displaystyle F Z frac m vec v 2 r nbsp gleich kann man die resultierende Gleichung nach r displaystyle r nbsp auflosen und den Durchmesser der Kreisbahn bestimmen Speicherring Standorte BearbeitenSpeicherringe finden sich u a am CERN bei Genf LHC Large Hadron Collider Umfang 27 km geplante Schwerpunktsenergie 14 TeV Inbetriebnahme November 2009 LEP Large Electron Positron Storage Ring Umfang 27 km hochste erreichte Schwerpunktsenergie 209 GeV Betrieb 1989 bis 2000 Intersecting Storage Rings Umfang ca 940 m Schwerpunktsenergie 56 GeV Betrieb 1971 bis 1984 am Paul Scherrer Institut in Villigen SLS Swiss Light Source Synchrotron Lichtquelle Umfang 288 m Energie 2 4 GeV 400 mA Top Up in Betrieb seit 1 August 2001 Synchrotron SOLEIL in Saint Aubin bei Paris auf dem Gelande der WISTA in Berlin BESSY II am Helmholtz Zentrum Berlin fur Materialien und Energie HZB Umfang 240 m Energie 1 7 GeV MLS Willy Wien Laboratorium der Physikalisch Technische Bundesanstalt PTB Umfang 48 m Energie 200 600 MeV am Karlsruher Institut fur Technologie KIT ANKA Angstromquelle Karlsruhe Umfang 100 m Energie 2 5 GeV an der Technischen Universitat Dortmund DELTA Dortmunder Elektronen Speicherring Anlage 115 2 m am Deutschen Elektronen Synchrotron DESY in Hamburg DORIS Doppel Ring Speicher Umfang 300 m Energie 4 6 GeV Betrieb 1974 bis 2012 PETRA Positron Electron Tandem Ring Accelerator Umfang 2 3 km maximale Schwerpunktsenergie 47 GeV Betrieb als Collider 1978 bis 1986 ab 2009 Betrieb als Synchrotronstrahlungsquelle HERA Hadron Electron Ring Accelerator Umfang 6 3 km Betrieb 1991 bis 2007 am Fermi National Accelerator Laboratory Fermilab bei Chicago Tevatron Proton Antiproton Beschleuniger Umfang 6 3 km Schwerpunktsenergie 1 96 TeV Betrieb 1983 bis 2011 2 am Europaischen Synchrotronstrahlungs Forschungszentrum ESRF in Grenoble Umfang 844 m am GSI Helmholtzzentrum fur Schwerionenforschung in Darmstadt ESR Experimentier Speicher Ring am Max Planck Institut fur Kernphysik MPIK in Heidelberg TSR CSR am Stanford Linear Accelerator Center SLAC an der Stanford Universitat PEP IILiteratur BearbeitenF Hinterberger Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik 2 Auflage Springer 2008 ISBN 978 3 540 75281 3Einzelnachweise Bearbeiten K Johnsen CERN Intersecting Storage Rings ISR In Proc Na Acad Sci USA 70 Jahrgang Nr 2 1973 S 619 626 PMC 433316 freier Volltext https www fnal gov pub tevatron index html Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Speicherring amp oldid 236386208 Collider