Synchrotron

Das Synchrotron ist ein Teilchenbeschleuniger, in dem geladene Elementarteilchen oder Ionen auf sehr hohe (relativistische) Geschwindigkeiten beschleunigt werden können, wodurch die Teilchen sehr hohe kinetische Energien erhalten, da das mehrmalige Durchlaufen der Bahn häufigere Beschleunigung als beispielsweise ein Linearbeschleuniger ermöglicht.

Die grundlegenden Konzepte für das Synchrotron wurden unabhängig in Russland von Wladimir Iossifowitsch Weksler (1944 am Lebedew-Institut) und von Edwin McMillan (während des Zweiten Weltkriegs in Los Alamos) entwickelt.

Anlage eines Synchrotrons im australischen Clayton.

Aufbau

Schema des Synchrotrons SOLEIL in Frankreich

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 Gleichspannungs-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 – in einem Elektronenspeicherring gespeichert, der bis zu einigen hundert Metern Umfang haben kann. Die Elektronen werden dort so lange gehalten, bis sie durch Kollisionen mit Restgasmolekülen unter die verwertbare Dichte verringert sind. Bei modernen Synchrotronen wie BESSY oder der ESRF beträgt die Lebensdauer des Elektronenstroms im Speicherring einige Tage; allerdings werden in regelmäßigen Abständen Elektronen zugeführt, um einen ausreichenden Ringstrom für die Experimente und Anwendungen bereitzustellen.

Synchrotronstrahlung

Module eines Linearbeschleunigers

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. Wiggler haben ein breiteres Strahlungsspektrum als Undulatoren und ihre Magnete werden typischerweise in der Anordnung eines Halbach-Arrays gebaut.

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. Die Bestrahlung racemischer organischer Verbindungen mit zirkular polarisierter Synchrotronstrahlung erlaubt es etwa in chiralen Aminosäuren einen Enantiomerenüberschuss zu erzielen.

Energie

Die etwa 1 m lange Kette von supraleitenden Hohlraumresonatoren im Teilchenbeschleuniger DESY erzeugt ein periodisches Wechselfeld mit 1,3 GHz, das die Elektronen beschleunigt.

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:

$E_\mathrm{max} \approx r \cdot q \cdot B \cdot c$

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

• ALS (Advanced Light Source), Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, USA
• Advanced Photon Source in den USA
• ALBA an der Autonomen Universität Barcelona, Cerdanyola del Vallès, Spanien
• ANKA (Angströmquelle Karlsruhe)
• BESSY (Berliner ElektronenSpeicherring-Gesellschaft für SYnchrotronstrahlung) in Berlin (am WISTA in Adlershof)
• CERN (frz. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, das Europäische Kernforschungslabor) bei Meyrin im Kanton Genf, Schweiz
• CLS (Canadian Light Source)
• COSY (Cooler Synchrotron im Forschungszentrum Jülich)
• DELTA (Dortmunder Elektronen Speicherring Anlage)
• DESY (Forschungszentrum Deutsches Elektronen-Synchrotron)
• Diamond (Diamond Light Source) South Oxfordshire, UK
• ELETTRA (ELETTRA Synchrotron Light Laboratory) in Triest, Italien
• Elektronen-Stretcher-Anlage (ELSA) Universität Bonn
• ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) in Grenoble
• SIS18 und ESR am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt
• HIT (Heidelberger Ionenstrahl Therapie, Universitätskliniken Heidelberg)
• LNLS (Laboratório Nacional de Luz Síncrotron) in Campinas, Bundesstaat São Paulo, Brasilien
• MAMI (Mainzer Microtron) Johannes Gutenberg-Universität, Mainz
• MAX-LAB (MAX-LAB Synchrotron Radiation Facility) in Lund, Schweden
• MLS (Metrology Light Source) in Berlin, Deutschland
• NSLS (National Synchrotron Light Source) am Brookhaven National Laboratory, Long Island, USA
• OPTIVUS (Loma Linda University Medical Center in Californien) USA
• SESAME (Synchrotron-light for Experimental Science and Applications in the Middle East) in Allaan, Jordanien
• 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
• SSLS (Singapore Synchrotron Light Source an der National University of Singapore)
• UVSOR II (Ultraviolet Synchrotron Orbital Radiation Facility) in Okazaki, Japan

Weblinks

• Ein Projekt des Physik-LK 12 des Werner-Heisenberg-Gymnasiums 97/98 über Synchrotrone
• Synchrotron (Grundlagen der Teilchenphysik)