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Mikrotron Das ist ein Teilchenbeschleuniger Typ für Elektronen mit dem Energien bis zur Größenordnung 1 GeV Giga Elektro

Mikrotron

Das Mikrotron ist ein Teilchenbeschleuniger-Typ für Elektronen, mit dem Energien bis zur Größenordnung 1 GeV (Giga-Elektronenvolt) erreicht werden. Seine Erfindung geht zurück auf W. Weksler.

Schema des klassischen Mikrotrons. Die Teilchenbahn geht von der Teilchenquelle (blauer Punkt) aus

Klassisches Mikrotron Bearbeiten

Das ursprüngliche Mikrotron ähnelt einem Zyklotron oder Betatron: Es besitzt einen einzigen großen Ablenkmagneten mit homogenem Feld. Außerhalb dessen Mitte befindet sich eine Beschleunigungsstrecke (Hohlraumresonator), die mit einer Frequenz der Größenordnung 1 GHz (Gigahertz) betrieben wird. Das Magnetfeld sowie Frequenz und Amplitude der Beschleunigungsspannung sind zeitlich konstant. Die Energie der Teilchen nimmt daher bei jedem Durchlaufen der Beschleunigungsstrecke um einen gleichen Betrag zu. Dies erhöht auch den Impuls und damit die ‚magnetische Steifigkeit‘ der Teilchen, so dass die Umlaufbahn länger wird. Ist die Geschwindigkeit nicht mehr klein im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit, nimmt auch die Umlaufzeit zu. Trotzdem erreicht das Teilchen die Beschleunigungsstrecke immer wieder im richtigen Zeitpunkt (‚in Phase‘ mit der Hochfrequenzspannung), wenn ihm jedes Mal so viel Energie zugeführt wird, dass die Umlaufzeit um eine ganze Zahl von Perioden der Spannung anwächst. Am wirksamsten ist diese Technik offensichtlich dann, wenn nur jeweils 1 Spannungsperiode zwischen zwei aufeinander folgenden Beschleunigungen vergeht (dies kann als Fundamentalmode bezeichnet werden). Für diesen Fall kann man berechnen, dass der Energiezuwachs pro Umlauf mindestens gleich der Ruheenergie des Teilchens sein muss. Daher eignet sich das Mikrotronprinzip nur für Teilchen mit kleiner Ruheenergie wie Elektronen (oder Positronen), aber nicht für Protonen oder noch schwerere Ionen. Mit klassischen Mikrotrons sind Energien bis zu etwa 50 MeV (Megaelektronenvolt) erreicht worden.

Rennbahnmikrotron Bearbeiten

Schema des Rennbahnmikrotrons

Das Rennbahnmikrotron ist eine weiterentwickelte Form des Mikrotrons, benannt nach der Form ihrer Teilchenbahn. Der Magnet ist hier in zwei Hälften mit je 180 Grad Ablenkung aufgeteilt; dadurch wird Platz gewonnen, um dazwischen statt eines Einzelresonators einen ganzen Linearbeschleuniger unterzubringen (hinzu kommen zusätzliche Elektromagnete zur Fokussierung des Teilchenstrahls). Dies erlaubt einen größeren Energiegewinn pro Umlauf. Ein Beispiel für eine Rennbahnmikrotron-Anlage ist das Mainzer Mikrotron.

Doppelseitiges Mikrotron Bearbeiten

Das doppelseitige Mikrotron ist ein Rennbahnmikrotron, das zwei Linearbeschleuniger auf den gegenüberliegenden langen Seiten enthält. Die Ablenkung besorgen hier vier 90°-Ablenkmagnete. Dadurch wird erreicht, dass alle Umlaufbahnen in den Beschleunigungsstrukturen übereinander liegen. An den kurzen Seiten zwischen den Magneten sind die Umlaufbahnen weiterhin entsprechend ihrem Energieunterschied gegeneinander verschoben.

Beim harmonischdoppelseitigen Mikrotron sind die Frequenzen der Beschleuniger beider Seiten nicht gleich, stehen aber in einem ganzzahligen (harmonischen) Verhältnis zueinander.

Weiterentwicklungen des doppelseitigen Mikrotrons Bearbeiten

Die Anzahl n der Linearbeschleuniger kann über 2 hinaus erhöht werden; die Anlage muss dann ein Ring mit 2n Ablenkmagneten sein. Das Hexatron beispielsweise besteht aus sechs 60°-Ablenkmagneten und drei Beschleunigungsstrecken.

Literatur Bearbeiten

  • Hanno Krieger: Strahlungsquellen für Technik und Medizin. Teubner 2005, ISBN 3-8351-0019-X.
  • F. Hinterberger: Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik. 2. Auflage. Springer 2008, ISBN 978-3-540-75281-3.
  • Per Lidbjörk: "Microtrons". In: CAS - Cern Accelerator School: 5th general Accelerator Physics Course. CERN-94-01 Vol. 2, p.971-981 (online)
  • H.-D. Gräf, A. Richter: "Superconducting electron linear accelerators and recirculating linacs". In: CAS - CERN Accelerator School: Radio Frequency Engineering. CERN 2005-003, p.440-471 (Inhaltsverzeichnis)
  • Marco Dehn et al.: The MAMI C Accelerator. Eur. Phys. J. Special Topics 198, 19–47 (2011), EDP Sciences, Springer 2011, doi:10.1140/epjst/e2011-01481-4

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. V. I. Veksler, Proc. USSR Acad. Sci. 43 (1944) 346 und J. Phys. USSR 9 (1945) 153
  2. Hinterberger (siehe Literaturliste) S. 68 ff.
  3. K. H. Kaiser et al.: The 1.5 GeV harmonic double-sided microtron at Mainz University. Nuclear Instruments and Methods A 593 (2008) 159 - 170
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Veröffentlichungsdatum:
Das Mikrotron ist ein Teilchenbeschleuniger Typ fur Elektronen mit dem Energien bis zur Grossenordnung 1 GeV Giga Elektronenvolt erreicht werden Seine Erfindung geht zuruck auf W Weksler 1 Schema des klassischen Mikrotrons Die Teilchenbahn geht von der Teilchenquelle blauer Punkt aus Inhaltsverzeichnis 1 Klassisches Mikrotron 2 Rennbahnmikrotron 3 Doppelseitiges Mikrotron 4 Weiterentwicklungen des doppelseitigen Mikrotrons 5 Literatur 6 EinzelnachweiseKlassisches Mikrotron BearbeitenDas ursprungliche Mikrotron ahnelt einem Zyklotron oder Betatron Es besitzt einen einzigen grossen Ablenkmagneten mit homogenem Feld Ausserhalb dessen Mitte befindet sich eine Beschleunigungsstrecke Hohlraumresonator die mit einer Frequenz der Grossenordnung 1 GHz Gigahertz betrieben wird Das Magnetfeld sowie Frequenz und Amplitude der Beschleunigungsspannung sind zeitlich konstant Die Energie der Teilchen nimmt daher bei jedem Durchlaufen der Beschleunigungsstrecke um einen gleichen Betrag zu Dies erhoht auch den Impuls und damit die magnetische Steifigkeit der Teilchen so dass die Umlaufbahn langer wird Ist die Geschwindigkeit nicht mehr klein im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit nimmt auch die Umlaufzeit zu Trotzdem erreicht das Teilchen die Beschleunigungsstrecke immer wieder im richtigen Zeitpunkt in Phase mit der Hochfrequenzspannung wenn ihm jedes Mal so viel Energie zugefuhrt wird dass die Umlaufzeit um eine ganze Zahl von Perioden der Spannung anwachst Am wirksamsten ist diese Technik offensichtlich dann wenn nur jeweils 1 Spannungsperiode zwischen zwei aufeinander folgenden Beschleunigungen vergeht dies kann als Fundamentalmode bezeichnet werden Fur diesen Fall kann man berechnen 2 dass der Energiezuwachs pro Umlauf mindestens gleich der Ruheenergie des Teilchens sein muss Daher eignet sich das Mikrotronprinzip nur fur Teilchen mit kleiner Ruheenergie wie Elektronen oder Positronen aber nicht fur Protonen oder noch schwerere Ionen Mit klassischen Mikrotrons sind Energien bis zu etwa 50 MeV Megaelektronenvolt erreicht worden Rennbahnmikrotron Bearbeiten nbsp Schema des RennbahnmikrotronsDas Rennbahnmikrotron ist eine weiterentwickelte Form des Mikrotrons benannt nach der Form ihrer Teilchenbahn Der Magnet ist hier in zwei Halften mit je 180 Grad Ablenkung aufgeteilt dadurch wird Platz gewonnen um dazwischen statt eines Einzelresonators einen ganzen Linearbeschleuniger unterzubringen hinzu kommen zusatzliche Elektromagnete zur Fokussierung des Teilchenstrahls Dies erlaubt einen grosseren Energiegewinn pro Umlauf Ein Beispiel fur eine Rennbahnmikrotron Anlage ist das Mainzer Mikrotron Doppelseitiges Mikrotron BearbeitenDas doppelseitige Mikrotron ist ein Rennbahnmikrotron das zwei Linearbeschleuniger auf den gegenuberliegenden langen Seiten enthalt Die Ablenkung besorgen hier vier 90 Ablenkmagnete Dadurch wird erreicht dass alle Umlaufbahnen in den Beschleunigungsstrukturen ubereinander liegen An den kurzen Seiten zwischen den Magneten sind die Umlaufbahnen weiterhin entsprechend ihrem Energieunterschied gegeneinander verschoben Beim harmonischdoppelseitigen Mikrotron sind die Frequenzen der Beschleuniger beider Seiten nicht gleich stehen aber in einem ganzzahligen harmonischen Verhaltnis zueinander 3 Weiterentwicklungen des doppelseitigen Mikrotrons BearbeitenDie Anzahl n der Linearbeschleuniger kann uber 2 hinaus erhoht werden die Anlage muss dann ein Ring mit 2n Ablenkmagneten sein Das Hexatron beispielsweise besteht aus sechs 60 Ablenkmagneten und drei Beschleunigungsstrecken Literatur BearbeitenHanno Krieger Strahlungsquellen fur Technik und Medizin Teubner 2005 ISBN 3 8351 0019 X F Hinterberger Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik 2 Auflage Springer 2008 ISBN 978 3 540 75281 3 Per Lidbjork Microtrons In CAS Cern Accelerator School 5th general Accelerator Physics Course CERN 94 01 Vol 2 p 971 981 online H D Graf A Richter Superconducting electron linear accelerators and recirculating linacs In CAS CERN Accelerator School Radio Frequency Engineering CERN 2005 003 p 440 471 Inhaltsverzeichnis Marco Dehn et al The MAMI C Accelerator Eur Phys J Special Topics 198 19 47 2011 EDP Sciences Springer 2011 doi 10 1140 epjst e2011 01481 4Einzelnachweise Bearbeiten V I Veksler Proc USSR Acad Sci 43 1944 346 und J Phys USSR 9 1945 153 Hinterberger siehe Literaturliste S 68 ff K H Kaiser et al The 1 5 GeV harmonic double sided microtron at Mainz University Nuclear Instruments and Methods A 593 2008 159 170 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Mikrotron amp oldid 195428095